一种钆硼碳共掺杂二氧化钛复合光催化剂、制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种钆硼碳共掺杂二氧化钛复合光催化剂、制备方法及其应用，属于光催化材料技术领域。所述催化剂以锐钛矿型二氧化钛为基体，钆、硼和碳三种元素共掺杂在基体内，以基体的总质量为100％计，钆元素的掺杂量为0.5％～1.5％，硼元素的掺杂量为0.5％～3％，碳元素的掺杂量为10％～15％，晶粒尺寸为8nm～13nm，比表面积为110m2/g～160m2/g，禁带宽度为2.6eV～2.75eV。所述复合光催化剂具有较高的光催化活性。在可见光的照射下，可实现对工业废水中阻垢剂、杀菌剂、染色剂等有机污染物的高效处理。高效处理。高效处理。

【技术实现步骤摘要】
一种钆硼碳共掺杂二氧化钛复合光催化剂、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及一种钆硼碳共掺杂二氧化钛复合光催化剂、制备方法及其应用，属于光催化材料


技术介绍

[0002]光催化技术催化活性高、稳定性好、价格便宜、环境友好，在新型环境污染水处理技术中占有重要地位。二氧化钛由于其经济效益高、催化活性强而被广泛使用。但是由于其对可见光的利用率较低和光生电子
‑
空穴易复合的缺点限制了其实际应用，二氧化钛光催化剂对可见光的利用情况较差，它的吸收波长在紫外光(λ＜387.5nm)附近较窄区域，太阳光利用率低(<5％)。因此，如何提高二氧化钛光催化剂的催化性能并使用该催化剂光催化降解工业废水，是本领域亟待解决的问题。
[0003]为了降低二氧化钛光催化剂的带隙(Eg＝3.2eV)、减缓电子
‑
空穴对的复合速率、提高界面电荷转移效率，可对二氧化钛光催化剂进行表面改性。Gd
3+
由于其具有特殊的半充满f7电子层结构，可促进二氧化钛光生载流子的跃迁和电子
‑
空穴对分离，进而提高光催化效率，并且提高二氧化钛催化剂对反应物的吸附能力。然而，单一Gd掺杂改性的二氧化钛光催化剂的光催化活性仍有待进一步提提高。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种钆硼碳共掺杂二氧化钛复合光催化剂、制备方法及其应用。所述催化剂中，Gd
3+
的d轨道与二氧化钛内Ti 4+
的d轨道发生重叠，促使二氧化钛的导带拓宽产生下移，而其禁带宽度变窄。B和C的掺杂会导致导带或价带之间发生电荷转移，可使波长较长、能量较小的光子发生激发，导致二氧化钛的吸收带边沿发生红移，即拓宽了二氧化钛吸收光谱的响应范围，从而提高了光子的利用效率。将二氧化钛的相应波长拓展到可见光，提高了对太阳光的利用率。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种钆硼碳共掺杂锐钛矿型二氧化钛复合光催化剂，所述催化剂以锐钛矿型二氧化钛为基体，钆、硼和碳三种元素共掺杂在基体内，以基体的总质量为100％计，钆元素的掺杂量为0.5％～1.6％，硼元素的掺杂量为0.5％～3％，碳元素的掺杂量为10％～15％，晶粒尺寸为8nm～13nm，比表面积为110m2/g～160m2/g，禁带宽度为2.60eV～2.75eV。
[0007]优选的，钆元素的掺杂量为0.9％～1.1％。
[0008]优选的，硼元素的掺杂量为1.3％～1.7％。
[0009]一种本专利技术所述的钆硼碳共掺杂二氧化钛复合光催化剂的制备方法，所述方法步骤如下：
[0010](1)边搅拌边将钛酸四丁酯逐滴加入到无水乙醇中，滴加结束后继续搅拌混合均匀，然后加入冰醋酸搅拌混合均匀，得到溶液A；冰醋酸的加入可抑制钛酸四丁酯水解；其
中，所述无水乙醇、钛酸四丁酯和冰醋酸的体积比为3～5:2:0.8～1.2；
[0011](2)将六水合硝酸钆和硼酸加入无水乙醇中，充分搅拌混合均匀，得到溶液B；其中，无水乙醇、六水合硝酸钆、硼酸和钛酸四丁酯的用量比2mL:0.033g～0.099g:0.0654g～0.3924g:1mL；
[0012](3)将所述溶液B倒入所述溶液A中，充分搅拌混合均匀后，逐滴加入去离子水纯度以上的水，搅拌得到溶胶，静置得到凝胶，干燥得到干凝胶；其中，所述水与所述溶液A中钛酸四丁酯的体积比为0.8～1.2:3～5；
[0013](4)将所述干凝胶充分研磨后进行煅烧，煅烧温度为300℃～450℃，煅烧时间为1h～3h，煅烧结束后得到一种钆硼碳共掺杂二氧化钛复合光催化剂。
[0014]优选的，步骤(2)中，无水乙醇、六水合硝酸钆、硼酸和钛酸四丁酯的用量比为2mL:0.0594g～0.0726g:0.1700g～0.2183g:1mL。
[0015]优选的，步骤(3)中，所述水与所述溶液A中钛酸四丁酯的体积比为0.8～1.2:4。
[0016]优选的，步骤(3)中，干燥温度为80～95℃，干燥时间为10h～16h。
[0017]优选的，步骤(4)中，煅烧温度为390～410℃，煅烧时间为1.8h～2.2h。
[0018]优选的，步骤(4)中，升温速率为30～50℃/min。
[0019]一种本专利技术所述的钆硼碳共掺杂二氧化钛复合光催化剂的应用，所述复合光催化剂用于光降解工业废水中的有机污染物。
[0020]优选的，降解时，所述复合光催化剂与有机污染物的质量比为2:1～6:1。
[0021]有益效果
[0022](1)本专利技术提供了一种钆硼碳共掺杂二氧化钛复合光催化剂，所述催化剂性质稳定，钆和硼的掺杂可以形成活性捕获中心，从而起到捕获阱的作用，使得电子与空穴发生分离，并抑制了电子与空穴对的复合，延长了载流子的寿命，进而促使其光催化活性得到增强，降低电子
‑
空穴对复合率。具体的，Gd
3+
的d轨道与二氧化钛内Ti
4+
的d轨道发生重叠，促使二氧化钛的导带拓宽产生下移，而其禁带宽度变窄。B的p轨道与O的2p轨道混合，可缩小二氧化钛的带隙将光谱响应扩展到可见光区域。另外，为了增加二氧化钛的缺陷，在二氧化钛中引入C元素，C原子取代了二氧化钛晶格中的氧使带隙变低。金属与非金属元素在共掺杂时表现出良好的协同作用。非金属掺杂降低二氧化钛带隙能，扩大光响应范围。金属掺杂捕获光生电子和空穴，抑制电子
‑
空穴复合，从而提升光催化活性。
[0023](2)本专利技术提供了一种钆硼碳共掺杂二氧化钛复合光催化剂的制备方法，所述方法以钛酸四丁酯为原料、硝酸钆为掺杂金属来源、硼酸为掺杂非金属来源、无水乙醇同时作为溶剂和碳源，采用溶胶凝胶法制备得到。所述方法中需严格控制各物质的用量及煅烧条件，其中，水的加入量直接决定溶胶是否成胶以及成胶效果；煅烧时间和温度影响二氧化钛晶型及晶粒尺寸。
[0024](3)本专利技术提供了一种钆硼碳共掺杂二氧化钛复合光催化剂的应用，在可见光的照射下，可实现对工业废水中阻垢剂、杀菌剂、染色剂等有机污染物的高效处理，反应过程中条件温和，操作简单，处理效率高且耗时短。
附图说明
[0025]图1为实施例1与应用实施例5循环后光催化剂XRD表征曲线。
[0026]图2为实施例1与对比例1～4光催化剂荧光光谱图。
[0027]图3为实施例1的X射线光电子能谱(XPS)精细谱图；其中，(a)为Ti元素谱图，(b)为氧元素谱图。
[0028]图4为实施例1的X射线能谱(EDS)图谱。
具体实施方式
[0029]下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明。
[0030]以下实施例或对比例中：
[0031](1)使用日产仪器Ultima IV测试所述光催化剂的X射线衍射图谱(XRD)并分析晶相及晶粒尺寸。以4
°
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钆硼碳共掺杂锐钛矿型二氧化钛复合光催化剂，其特征在于：所述催化剂以锐钛矿型二氧化钛为基体，钆、硼和碳三种元素共掺杂在基体内，以基体的总质量为100％计，钆元素的掺杂量为0.5％～1.5％，硼元素的掺杂量为0.5％～3％，碳元素的掺杂量为10％～15％，晶粒尺寸为8nm～13nm，比表面积为110m2/g～160m2/g，禁带宽度为2.6eV～2.75eV。2.如权利要求1所述的一种钆硼碳共掺杂锐钛矿型二氧化钛复合光催化剂，其特征在于：钆元素的掺杂量为0.9％～1.1％。3.如权利要求1或2所述的一种钆硼碳共掺杂锐钛矿型二氧化钛复合光催化剂，其特征在于：硼元素的掺杂量为1.3％～1.7％。4.一种如权利要求1～3任意一项所述的钆硼碳共掺杂二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(1)边搅拌边将钛酸四丁酯逐滴加入到无水乙醇中，滴加结束后继续搅拌混合均匀，然后加入冰醋酸搅拌混合均匀，得到溶液A；冰醋酸的加入可抑制钛酸四丁酯水解；其中，所述无水乙醇、钛酸四丁酯和冰醋酸的体积比为3～5:2:0.8～1.2；(2)将六水合硝酸钆和硼酸加入无水乙醇中，充分搅拌混合均匀，得到溶液B；其中，无水乙醇、六水合硝酸钆、硼酸和钛酸四丁酯的用量比2mL:0.033g～0.099g:0.0654g～0.3924g:1mL；(3)将所述溶液B倒入所述溶液A中，充分搅拌混合均匀后，逐滴加入去离子水纯度以上的水，搅拌得到溶胶，静置...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐熙焱，郭志仁，张东翔，孙培芾，刘新月，张晓，徐磊，张梦琳，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：