一种高活性富羟基可悬浮TiO制造技术

本发明专利技术涉及高活性富羟基可悬浮TiO

【技术实现步骤摘要】
一种高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料的简易制备方法
本专利技术涉及高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料的简易制备方法。
技术介绍
近年来，随着全球能源消耗和环境恶化问题的日益严重，光催化分解水制氢受到越来越多的关注。在众多的光催化剂中，TiO2作为一种最重要的半导体光催化材料在光催化制氢领域具有较大的应用前景。然而纯的TiO2内部结构缺陷较多且缺少有效的表面催化活性位点，导致低的光催化活性。因此，如何对TiO2进行结构调控以促进光生载流子的传输和界面反应是一个具有挑战性的难题。近些年来，尽管已发展了各种TiO2的制备方法，然而，纯的TiO2仍然表现出低的光催化活性，因此，需要进一步探索和发展简单、有效的合成方法，以获得高活性的TiO2光催化材料。对于单组分TiO2光催化材料，高晶化、大比表面积和高分散性对其光催化活性的提高至关重要。首先，高晶化的光催化剂不仅可以促进光生电子和空穴从光催化剂内部快速传输到其表面，还可以减少缺陷的数量，从而提高光生载流子的利用率。其次，具有大比表面积的光催化剂，特别是纳米晶光催化材料，由于具有比块体或团聚光催化剂更短的光生载流子迁移距离和更多的界面催化活性位点，因此表现出更高的光催化制氢活性。第三，高的水分散性是TiO2的另一个重要优势，因为高水分散性的TiO2不仅可以加速水分子的吸附和活化，而且可以提高其在反应溶液中的空间利用率，同时，高水分散性还具有活性位点分布均匀、可利用活性位点多和不易团聚等优点，从而易于形成可悬浮型的光催化剂。然而，目前的高晶化纳米晶光催化剂通常采用高温高压的合成路线，这就不可避免地导致所制备的光催化剂具有较大的颗粒和较小的比表面积，而高水分散性的光催化材料往往需要加入大量的有机表面活性剂，且获得的光催化剂通常是无定型或弱晶化的结构。即使是众所周知的P25TiO2光催化剂，虽然认为具有较好的分散性，但由于其粒径通常在20-50nm,其大部分颗粒也很易于沉降，得不到高水分散性的光催化剂。因此，如果能发展出一种简易的合成方法，以同时获得具有高晶化和高水分散性的TiO2光催化材料，则有望取得很好的光催化活性，但据我们所知，目前还没有这方面的相关报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术，提出了一种高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料的简易制备方法，该方法制备的富羟基可悬浮TiO2纳米晶明显比商业P25TiO2具有更高的光催化制氢活性。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料的简易制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)将钛酸四丁酯与无水乙醇混合，形成均匀、透明溶液；2)在强烈搅拌下，将步骤1)配置的钛酸四丁酯乙醇溶液逐滴加到去离子水中，于室温下充分搅拌水解，以获得可悬浮无定型TiO2悬浮液；3)将步骤2)获得的悬浮液转移至反应容器中，恒温水热反应，所得产物分别经醇和水静置洗涤后，即获得高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料。按上述方案，步骤1)所述的钛酸四丁酯与无水乙醇的体积比为1:20-1:200。按上述方案，步骤2)所述钛酸四丁酯乙醇溶液与去离子水的体积比为1:3。按上述方案，步骤2)所述的水解时间为0.5-12h。按上述方案，步骤2)所述的水解时间优选为0.5-3h。按上述方案，步骤3)所述的水热温度为100-200℃。按上述方案，步骤3)所述的水热温度优选为140-200℃。按上述方案，步骤3)所述的水热时间为1-15h。按上述方案，步骤3)所述的水热时间优选为8-12h。本专利技术提出高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料的简易制备方法，首先，将钛酸四丁酯与无水乙醇混合；在搅拌下将上述溶液逐滴加到蒸馏水中，此时被乙醇隔离的钛酸四丁酯分子会同时水解，产生许多独立的无定型TiO2纳米粒子，并在其表面原位形成大量的羟基基团；当此悬浮液在水热过程中，无定型TiO2纳米粒子会原位转化成纳米晶体，从而制备出高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料。由于羟基基团之间的静电排斥作用，大量原位产生的羟基基团可有效阻止无定型TiO2在水热过程中的团聚及进一步生长。因此，本方法制备的TiO2纳米晶具有更小的粒子和更多的羟基基团，同时能保证TiO2具有较高的结晶性和水分散性，这些都有利于光催化产氢性能的提高。高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料的光催化制氢性能是通过在紫外光下分解水产氢进行评估的。本专利技术中TiO2光催化材料分解水制氢反应采用的是一步法光催化制氢，即材料合成后不经过干燥直接进行产氢测试。详细实验过程如下：将本专利技术方法合成的TiO2静置洗涤后直接加入到含有80毫升(25vol％)乙醇牺牲剂的平底三颈瓶中，随后通入氮气15分钟，以清除反应体系中的氧气，最后在边搅拌边光照的情况下进行光催化制氢反应。该制氢性能评价方法避免了传统法中将光催化剂干燥处理并研磨收集这一复杂过程，其目的是使大量的羟基基团能够保留在TiO2纳米晶表面，以保持它的可悬浮性以及在液相体系中原有的界面效应，使得TiO2纳米晶在制氢反应过程中完全发挥它的界面作用。在上述产氢实验中，光催化剂为0.05克，使用4个功率为3瓦的LED(365nm)灯作为照射源。每隔1小时用微量气体进样器抽取400微升气体注入气相色谱仪(Shimadzu,GC-14C,Japan)进行氢气含量的检测。高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料的微结构表征方法：用X射线衍射(XRD)光谱分析TiO2的晶体结构和相组成信息；用透射电镜(TEM)观察TiO2的形态和结构；用X射线光电子能谱(XPS)检测样品表面的化学元素组成及价态；用红外光谱解析TiO2表面的信息；用UV-vis漫反射测试TiO2的光学性质。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出了一种简易、高效且绿色的乙醇调控法合成高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料，包括最初的乙醇调控水解钛酸四丁酯和随后原位水热晶化过程。其中，TiO2可悬浮性和羟基的数量可通过乙醇的含量调控，此时，大量的羟基基团不仅可以维持TiO2的可悬浮性，而且可以作为界面催化活性位以提高光催化分解水活性。因此，相比于传统煅烧法制备的TiO2和P25TiO2光催化剂，该合成方法所制备的富羟基可悬浮TiO2纳米晶明显表现出更高的光催化制氢速率。此外，该合成方法操作十分简单、设备要求低、无需昂贵、复杂的各种加工合成设备和反应装置，具有易于大批量合成等优点，有望产生良好的社会和经济效益。附图说明图1为实施例1中高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料的乙醇调控法合成思路图；图2为实施例1中(a)可悬浮无定型TiO2和(b)高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料的XRD图谱；图3为实施例1中高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料的(A、B)TEM(选区电子衍射)图；图4为实施例1中(a)高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶和(b)传统煅烧法制备TiO2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高活性富羟基可悬浮TiO

【技术特征摘要】
1.一种高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料的简易制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将钛酸四丁酯与无水乙醇混合，形成均匀、透明溶液；
2)在强烈搅拌下，将步骤1)配置的钛酸四丁酯乙醇溶液逐滴加到去离子水中，于室温下充分搅拌水解，以获得可悬浮无定型TiO2悬浮液；
3)将步骤2)获得的悬浮液转移至反应容器中，恒温水热反应，所得产物分别经醇和水静置洗涤后，即获得高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料。


2.根据权利要求1所述的高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料的简易制备方法，其特征在于步骤1)所述的钛酸四丁酯与无水乙醇的体积比为1:20-1:200。


3.根据权利要求1所述的高活性富羟基可悬浮TiO2纳米晶光催化材料的简易制备方法，其特征在于步骤2)所述钛酸四丁酯乙醇溶液与去离子水的体积比为1:3。


4.根据权利要求1所述的高活性富羟基可悬浮Ti...

【专利技术属性】
技术研发人员：余火根，高朵朵，王雪飞，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42