氮掺杂的TiO2纳米颗粒及其在光催化中的用途制造技术

本发明专利技术涉及一种在用UV光、可见光和阳光照射下有活性的光催化剂，该光催化剂包含氮掺杂的TiO2的粉末或氮掺杂的TiO2的即用型纳米悬浮液，其中还存在板钛矿结晶相，并且其掺杂氮含量(％按重量计)足以确保在可见区中的光催化活性。光催化剂可以容易地应用于不同性质的基底。基底。基底。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】氮掺杂的TiO2纳米颗粒及其在光催化中的用途
专利

[0001]本专利技术属于用于水或空气净化应用的污染剂的光催化降解的领域。特别地，本专利技术涉及一种产品(以及用于制备其的工艺)，其包含呈粉末或在溶剂中的纳米颗粒的悬浮液形式的氮掺杂的TiO2。所述产品不仅在经历UV光照射时而且还在用可见光或阳光照射的情况下都适合于被用作活性光催化剂。
[0002]专利技术背景
[0003]从科学技术的角度来看以及关于大多数工业化国家的资源的投资方面，在化学物质的光分解的过程中使用光能(诸如例如，减少液相或气相中的污染物，通过水分解产生氢气等)是目前最感兴趣的研究领域之一。在该领域，通过基于二氧化钛(TiO2)的光催化剂来发挥主要作用，因为使用TiO2具有许多优点，包括其低成本、高可用性、无毒性、化学和热稳定性以及高氧化能力。然而，使用基于二氧化钛的光催化剂的最大缺点是，由于TiO2的相对大的带隙能量(Eg＝3.0-3.2eV)，TiO2仅吸收具有小于约387nm的波长的光，因此基于二氧化钛的光催化剂仅在被具有在紫外区区间(λ＝350-400nm)内的波长的合适的光源照射时是有活性的。阳光是我们可获得的最丰富、易接近和可再生的光子源。约50％的太阳辐射在红外区(NIR，近可见光区)中发射，而其余部分在可见区中发射，并且仅5％在紫外区中发射。由于该原因，许多努力已经致力于提高二氧化钛对可见区的光催化性能，并且开发在用可见辐射的激发下有活性的光催化剂，这些光催化剂来自太阳光谱和用于室内照明的普通灯两者，从而克服了与使用UV灯有关的高成本和可获得性问题。
[0004]因此，为了解决可见辐射的不吸收的问题，已经采取了多种策略；这些策略包括通过引入氧缺陷或掺杂有过渡金属(诸如Cu、Ni、Co、Mn、Fe、Cr、Mo、V和W)、贵金属(诸如Au、Ag和Pt)、稀土元素和最近的仅非金属(例如C、N、P、S、F等)来改性TiO2。特别地，掺杂氮是用于提高可见区中TiO2活性的最有效的方法之一。
[0005]从由Sato在1986年文章(S.Sato,Chem.Phys.Lett.123(1986)126-128)中报道的在可见区中具有光催化敏化的氮掺杂的TiO2的第一个实例之一开始，已经出现了许多关于这种材料的制备方法和特性的研究。
[0006]在现有技术中已知的制备TiO
2-N的多种“湿化学”方法中，可以确定其中通过向含有TiO2前体的悬浮液中加入氮源，掺杂与二氧化钛的合成同时发生的工艺，如在例如Livraghi(S.Livraghi等人,Journal of Solid State Chemistry 182(2009)160-164)的文章中，或者从已经形成的TiO2的胶体溶液开始的工艺，在第二步骤中向TiO2的胶体溶液中加入氮源(CN 1736584)。在这种情况下，最终产品以纳米TiO
2-N粉末(锐钛矿)的形式获得，经历干燥过程并且随后在300℃-650℃煅烧持续0.5h-6h。
[0007]此外，在文献中已知，通常，TiO2的光催化活性可能受到其他因素诸如晶体结构、粒度、表面形态和孔隙率的影响。
[0008]在这些因素中，晶体结构是最影响光催化性能的因素。
[0009]二氧化钛是一种呈现出多晶型的材料，即它以多于一种晶体结构存在。存在TiO2的四种通常已知的结晶相：锐钛矿(四方晶)、金红石(四方晶)、板钛矿(正交晶)和TiO2(B)
(单斜相)。
[0010]在TiO2的两种最常见的结晶相锐钛矿和金红石(其也是最热力学稳定的相)中，在现有技术状态中，锐钛矿显示出是具有最大光活性的相。由于该原因，大多数关于基于TiO2的光催化剂的研究已经集中在锐钛矿、金红石或其双相组合物上。
[0011]相比之下，板钛矿相受到较少的关注。重要的是应注意，这种兴趣的缺乏不是由于板钛矿的光催化活性(从光催化的角度来看，板钛矿实际上是非常有活性的)，而是由于其热力学亚稳定性和难以以高百分比获得它。
[0012]在专利EP 2000208A2中描述了一种基于氮掺杂的TiO2的光催化剂。在该文献中提到了获得包含呈锐钛矿、金红石或板钛矿的任何结晶形式的TiO2，或呈包含两种或更多种前述结晶相的混合的结晶形式的TiO2的产品的可能性。然而，最终的光催化剂示出了掺杂的氮含量的限制，其必须保持低于按重量计0.1％，以便避免损害产品在可见区中的光催化活性。
[0013]在这种情况下，基于本专利技术的技术任务是提出现有的基于TiO
2-N的光催化剂的优化的替代物，其具有相同的效果或更高的效果，并且可以适于覆盖不一定耐高温(因此不一定耐煅烧)的不同基底，这是许多包含TiO
2-N的类似产品的现有技术状态中存在的问题。通过本专利技术克服了所述技术问题，本专利技术提供了一种光催化剂(以及用于制备其的工艺)，该光催化剂包括在UV区和可见区两者中均具有光催化活性的氮掺杂的TiO2纳米颗粒的粉末或稳定的悬浮液，其中存在板钛矿结晶相，并且其氮含量足以确保可见光的吸收。通过已知的工业系统，光催化剂可以容易地应用于多种不同的基底，特别还是不耐高温的基底。
[0014]专利技术概述
[0015]本专利技术涉及一种在用UV光、可见光和阳光照射下有活性的光催化剂，该光催化剂包括氮掺杂的TiO2(TiO
2-N)的粉末或氮掺杂的TiO2(TiO
2-N)的即用型纳米悬浮液，其中TiO
2-N也存在于板钛矿结晶相中，并且其氮含量(％按重量计)足以确保在可见区中的光催化活性。在一种实施方案中，悬浮液中的TiO
2-N纳米颗粒(或TiO
2-N粉末)包括至少两种结晶相：板钛矿结晶相和金红石结晶相或锐钛矿结晶相。在另一种实施方案中，悬浮液中的TiO
2-N纳米颗粒包括三种结晶相：板钛矿结晶相、锐钛矿相和金红石相。
[0016]本专利技术还涉及光催化剂用于在不同性质的基底上包覆应用的用途，所述基底既耐高温又不耐高温，诸如例如：玻璃、陶瓷、金属、织物和多种塑料材料，包括PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PA(聚酰胺)、PC(聚碳酸酯)、PLA(聚乳酸)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PE(聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)、PS(聚苯乙烯)及类似物。
[0017]本专利技术还涉及一种用于制备本专利技术的产品的工艺，该工艺使用TiO2纳米颗粒的水性悬浮液作为前体，TiO2纳米颗粒优选地呈锐钛矿结晶形式，向该水性悬浮液中加入氮源。所获得的悬浮液经历干燥过程和随后的煅烧，以便获得氮掺杂。
[0018]煅烧步骤之后可以任选地进行研磨步骤，以便将所获得的粉末重新分散在溶剂中，并且随后进行在溶剂中进一步稀释的步骤，以便制备作为光催化剂的氮掺杂的TiO2的即用型纳米悬浮液。
[0019]附图简述
[0020]图1：实施例2的粉末样品(煅烧前)的粒度分析，用Sympatec HELOS干分散激光器(H0969)进行；
[0021]图2：在煅烧前，通过用喷雾干燥技术干燥获得的实施例2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种在有机溶剂和/或水性溶剂中的氮掺杂的TiO2(TiO
2-N)纳米颗粒的悬浮液，其中所述TiO
2-N纳米颗粒至少包含以相对于所述纳米颗粒的重量的按重量计10％至99％的量的板钛矿结晶相和以相对于所述纳米颗粒的重量的按重量计25％至90％的量的金红石结晶相。2.根据权利要求1所述的纳米颗粒的悬浮液，其中所述板钛矿结晶相是以相对于所述纳米颗粒的重量的按重量计10％至75％的量。3.根据权利要求1或权利要求2所述的纳米颗粒的悬浮液，其中所述TiO
2-N纳米颗粒还包含锐钛矿结晶相。4.根据权利要求3所述的纳米颗粒的悬浮液，其中所述锐钛矿结晶相是以相对于所述纳米颗粒的重量的按重量计1％至10％的量。5.根据权利要求3所述的纳米颗粒的悬浮液，其中所述锐钛矿结晶相是以相对于所述纳米颗粒的重量的按重量计25％至90％的量。6.根据权利要求1至5中任一项所述的纳米颗粒的悬浮液，其中所述TiO
2-N纳米颗粒具有相对于所述纳米颗粒的重量的包含在按重量计1％和5％之间、优选地在按重量计1.5％和3％之间的氮掺杂含量。7.根据权利要求1至6中任一项所述的纳米颗粒的悬浮液，包含至少一种杀生物剂，所述杀生物剂优选地选自银盐或银纳米颗粒、ZnO纳米颗粒、铜盐或铜纳米颗粒或其混合物。8.TiO
2-N纳米颗粒，其是通过在基底上沉积根据权利要求1至7中任一项所述的纳米颗粒的悬浮液并且消除溶剂可获得的。9.一种用于制备根据权利要求1至7中任一项所述的氮掺杂的TiO2(TiO
2-N)纳米颗粒的悬浮液的工艺，所述工艺包括以下步骤：a)制备在水中的TiO2纳米颗粒的悬浮液；b)将含氮掺杂剂加入到所述悬浮液中并且混合直到均匀；c)干燥加入了所述含氮掺杂剂的所述悬浮液，直到获得含有包含在按重量计0％和15％之间的含水残余物的粉末；d)使干燥的粉末在包含在400℃和600℃之间的温度经历煅烧，从而获得煅烧粉末；e)使所述煅烧粉末在有机溶剂和/或水性溶剂中经历研磨，从而获得在溶剂中的TiO
2-N纳米颗粒的悬浮液；f)用另外的溶剂稀释步骤e)的所述悬浮液。10.根据权利要求9所述的工艺，其中步骤a)的在水中的所述TiO2纳米颗粒的悬浮液是呈锐钛矿结晶形式的TiO2纳米颗粒的悬浮液。11.根据权利要求9或权利要求10所述的工艺，其中在步骤b)中，所述含氮掺杂剂选自无机铵盐和含氮有机化合物；所述含氮掺杂剂优选地是柠檬酸铵或三乙醇胺。12.根据权利要求9至11中任一项所述的工艺，其中：在步骤c)中所述干燥的温度包含在100℃和150℃之间、优选地在110℃和140℃之间，并且所述干燥被进行持续包含在10小时和24小时之间、优选地在15小时和20小时之间的时间。13.根据权利要求9至12中任一项所述的工艺，其中步骤d)的所述煅烧优选地在包含在450℃和500℃之间的温度发生并且...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉奥瓦尼，
申请(专利权)人：卡罗比亚咨询有限责任公司，
类型：发明
国别省市：