一种稀土铈掺杂纳米二氧化钛材料制备和应用制造技术

本发明专利技术公开一种稀土铈掺杂纳米二氧化钛材料制备和应用，包括如下步骤:配制溶液A：将钛酸四丁酯与无水乙醇均匀混合获得溶液A；配制溶液C：将六水硝酸铈溶于超纯水中制得不同浓度的硝酸铈水溶液，并向其中加入预先配好的冰醋酸/无水乙醇混合液，获得溶液C；将溶液C缓慢逐滴滴入溶液A，其中Ce和Ti的元素比不低于1:200，滴加速度不高于2秒/滴，后获得凝胶状物；将获得的凝胶状物置于不高于600℃度马弗炉中煅烧，制得经稀土铈改性后的纳米二氧化钛材料。本发明专利技术采用简单的一锅溶胶凝胶法，能大规模合成所需要的粉体光催化/光电催化材料。规模合成所需要的粉体光催化/光电催化材料。规模合成所需要的粉体光催化/光电催化材料。

【技术实现步骤摘要】
一种稀土铈掺杂纳米二氧化钛材料制备和应用


[0001]本专利技术属于一种稀土铈掺杂纳米二氧化钛材料，具体涉及稀土铈掺杂纳米二氧化钛材料的合成方法及其在光催化/光电催化制氢中的应用，属于能源与环保


技术介绍

[0002]如今，我们面临着环境和能源的双重挑战。太阳能提供最丰富，取之不尽的可再生和清洁能源，为未来的能源需求解决燃眉之急。太阳能可通过光催化/光电催化制氢技术转化为储氢储能，光催化剂在转化过程中起着关键作用，而新型高效催化剂的开发也越来越受到科学家们的关注。
[0003]TiO2具有优良的光催化活性，成本较低，对环境友好，无毒以及良好的热稳定性和化学性能，更重要的是，TiO2拥有合适的禁带能级用于光催化及光电催化水解，是一种理想的光电极半导体材料。稀土元素具有丰富的能级结构，镧系稀土元素的能级结构为阶梯状的分布，这一特性让其拥有优异的光、电、磁和催化性能。稀土催化材料在资源丰度、成本、制备工艺以及性能等方面都具有较强的优势，可用于取代稀有金属和贵金属作为改性催化剂的重要原材料。目前不仅大量用于汽车尾气净化，还扩展到工业有机废气处理、室内空气净化、二氧化碳还原以及固氮等领域。因此，稀土催化材料在环保领域，特别是在有毒、有害气体的净化方面，具有巨大的应用市场和发展潜力。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是：解决了二氧化钛作为光催化/光电催化剂仅对太阳光中的紫外光谱部分响应的难点，将对光谱的吸收范围拓宽至可见光区域，同时提升了光电转换效率。本专利技术制备了稀土掺杂至二氧化钛晶格中的纳米粉体颗粒，方法简单，造价低廉，产率高，可大规模应用于工业化生产。
[0005]为实现上述目的，本专利技术使用一锅溶胶凝胶法获得纳米二氧化钛及其铈掺杂粉体材料，采用如下技术方案：一种纳米二氧化钛材料的制备方法，按以下步骤完成:（1）制取溶胶步骤，首先配制溶液A：钛酸四丁酯与乙醇均匀混合不低于1:4，不低于30分钟机械搅拌后静置。配制溶液B：向超纯水中加入冰醋酸充分混合其中冰醋酸与钛酸四丁酯体积比不高于2:3。之后后加入无水乙醇，其中与钛酸四丁酯的体积比不低于1:4，机械搅拌不低于30分钟。
[0006]（2）获得凝胶步骤：将溶液B滴入溶液A，速度不高于1秒每滴，滴入的同时剧烈搅拌不低于2h，静置不低于4h后，烘干时间不低于10h至凝胶状（3）获得纯纳米二氧化钛步骤：置于不高于600度马弗炉中煅烧，煅烧条件为不高于3℃/min的升温速度，保温时间不低于5小时。
[0007]一种稀土铈改性纳米二氧化钛材料的制备方法，按以下步骤完成:（4）制取溶胶步骤，首先配制溶液A：钛酸四丁酯与乙醇按照体积比为不低于1:4均
匀混合，不低于30分钟机械搅拌后静置。配制溶液C：将六水硝酸铈溶解至超纯水中其中水和钛酸四丁酯体积比不高于1:1，向混合液中加入冰醋酸与无水乙醇，体积比为不高于3:8进行的充分混合；其中Ce和Ti的元素比不低于1:200，机械搅拌不低于30分钟；（5）获得凝胶步骤：将溶液C滴入溶液A，速度为不高于1秒每滴，滴入的同时剧烈搅拌不低于2h，静置不低于4h后，烘干时间不低于10h至凝胶状（6）获得稀土铈改性纳米二氧化钛材料步骤：置于不高于600度马弗炉中煅烧，煅烧条件为不高于3℃/min的升温速度，保温时间不低于5小时。
[0008]将本专利技术所制备的纳米二氧化钛及稀土铈掺杂纳米二氧化钛制成薄膜电极于FTO上，以测试其电化学参数。粉体材料分散在水溶液中用于测试光催化产氢。
[0009]与现有技术相比，本实施方式具有如下特点：本专利技术采用简单的一锅溶胶凝胶法，能大规模合成所需要的粉体光催化/光电催化材料。X射线粉末衍射的结果表明，本专利技术中铈元素没有形成氧化物，并且锐钛型纳米二氧化钛的晶格发生畸变变大；结合X射线光电子能谱的结果表明，本专利技术成功地将+3价的稀土铈元素引入纳米二氧化钛的晶格中，由于稀土元素丰富的能级结构，与二氧化钛本身的能级结构杂交，改变了半导体的功函数，引起带隙的变化，拓宽了光谱的吸收响应范围，同时形成电子聚合中心，加快了光生载流子分离，从整体上提升产氢效率。
附图说明
[0010]下面通过附图说明本专利技术的主要参数特征图1为本专利技术制备基础二氧化钛纳米颗粒的化学反应示意图；图2为纳米二氧化钛及稀土铈掺杂纳米二氧化钛的XRD谱图。结果表明，所制备的样品为锐钛矿型纳米二氧化钛（Anatase:No.JCPDS
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00
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1272）,掺铈后的样品并没出现铈的氧化物的特征峰，并且半峰宽有变窄，特征峰向右偏移说明铈元素是以离子的形式进入二氧化钛晶格中。
[0011]图3为FEI
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SEM场发射扫描电子显微镜图；左边图为纳米二氧化钛FEI
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SEM场发射扫描电子显微镜图；右边图为稀土铈掺杂纳米二氧化钛FEI
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SEM场发射扫描电子显微镜图；纳米二氧化钛粒径约为16.90nm，稀土掺铈纳米二氧化钛粒径约为14.53nm。结合粉末衍射分析，经谢乐公式计算基本符合，即可表明稀土铈的掺杂可细化晶粒。
[0012]图4为纳米二氧化钛及稀土铈掺杂纳米二氧化钛XPS图；左边图为纳米二氧化钛XPS图；右边图为稀土铈掺杂纳米二氧化钛XPS图；从X光电子能谱图分析可知，纯粹的纳米二氧化钛并没有稀土铈元素的特征峰谱出现，掺杂稀土铈元素后出现很明显的特征峰902.93eV，885.10eV，并且该特征峰属于Ce
3+
的特征峰。以上充分说明，本专利技术中稀土元素是以元素掺杂且进入纳米二氧化钛晶格中。
[0013]图5为电泳Zata测试，该结果表明稀土铈掺杂纳米二氧化钛在水溶液中的Zata电位为56.66mV，说明能均匀分散且稳定存在；纯粹的纳米二氧化钛在水溶液中的Zata电位仅5.51mV，说明该纯二氧化钛在水中的分散程度不如掺稀土铈的产品。
[0014]图6为纳米二氧化钛及稀土铈掺杂纳米二氧化钛材料在50％乙醇为牺牲试剂下将产氢总量换算为一个太阳AM1.5G（100mW/cm2）7小时产氢速率及产氢总量图。
[0015]图7为在0.8V (vs. Ag/AgCl) 的恒电位下对比纳米二氧化钛及稀土铈掺杂纳米
二氧化钛材料，使用三电极体系进行测试，对电极为铂片，参比电极为Ag/AgCl，工作电极为FTO上制作的纳米二氧化钛及稀土铈掺杂纳米二氧化钛薄膜，以0.1mol/L Na2SO4为电解液其中含50%的乙醇。改性后的稀土铈掺杂纳米二氧化钛的光电流为5
ì
A/cm2，纯二氧化钛光电流约为0.5
ì
A/cm
2 ，改性后的材料在0.8v恒电位时光电流得到极大提升。这说明掺杂后的材料作为一种光电催化水解催化剂用于工业大规模制氢有很大前景。
[0016]图8为恒电位波长扫描光电转换效率，左图为电化学噪声电流，右图为 0.8v外加偏压下所产生的光电流，结果表明稀土掺杂纳米二氧化钛相比于纯二氧化钛本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种稀土铈改性纳米二氧化钛材料的制备方法，其特征在于步骤如下:1）制取溶胶步骤，首先配制溶液A：将钛酸四丁酯（C
16
H
36
O4Ti）与无水乙醇均匀混合，两者体积比范围控制在1:4到1:1之间，在进行不少于30分钟的机械搅拌后静置备用；配制溶液C：将六水硝酸铈溶于超纯水中制得不同浓度的硝酸铈水溶液，并向其中加入预先配好的体积比不高于3:8的冰醋酸/无水乙醇混合液，二者进行的充分混合；机械搅拌不低于30分钟；2）获得凝胶步...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈燕鑫，王天明，卢灿忠，
申请(专利权)人：福建师范大学，
类型：发明
国别省市：