一种掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体的制备方法，该制备方法为：将四氯化钛原料配制成水溶胶，水溶胶经过老化后加水稀释并掺入水溶性铁盐，再加温使溶胶水解并产生沉淀，将沉淀物过滤，用水冲洗后干燥，得到掺铁纳米二氧化钛粉体，然后将氮盐与掺铁纳米二氧化钛粉体混合后进行球磨，将球磨后的粉体煅烧，冷却后即得掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体。本发明专利技术所述制备方法，采用化学方法与物理方法相结合，一方面可使铁均匀的进入到二氧化钛的晶格结构中，另一方面可使氮均匀分布于纳米颗粒表面层，尤其是非晶化层内。制得的掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体，一方面可提高二氧化钛的光催化效率，另一方面可拓展其光响应波长，从而大幅度提高光催化性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米二氧化钛粉体的改性方法，具体来说是一种 掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体的制备方法。(二)
技术介绍
纳米二氧化钛具有良好的光催化性能，在光催化过程中的吸收波 段主要为紫外光，而太阳光中紫外光所占的比重较小，这在一定程度 上影响了纳米二氧化钛的光催化性能，也制约了纳米二氧化钛在曰常 生活中的应用。为改变这一现状，提高纳米二氧化钛在太阳光下的光 催化效率，使其走向实际应用，对纳米二氧化钛进行改性，并使在光 催化过程中的吸收波段由紫外光扩大到可见光，拓展其光吸收波段， 提高其光催化性能，改性是必然之路。这方面国内外专家学者也开展 了大量的研究工作，也发表了不少这方面的学术论文。现有的改性方法多以物理方法或化学方法为主，而将两种方法有 机结合起来的方法很少见。其中，化学方法改性多在制备纳米二氧化 钛粉体的过程中，经化学方法改性之后，二氧化钛具有一定程度的晶格畸变，这是导致其性能发生改变的主要原因之一；而物理方法改性， 多在二氧化钛粉体制备出来以后，原料多为经过煅烧或热处理的纳米 二氧化钛粉体或P25。由于纳米二氧化钛经过煅烧后，其结晶程度增加，致使改性过程中铁和氮仅能进入到纳米二氧化钛颗粒的表面，即 纳米颗粒表面的非晶态层内，而很难进入到纳米二氧化钛颗粒的内 部。虽然提高掺杂过程的煅烧温度有利于铁和氮等杂质掺入到纳米颗 粒的内部，但煅烧温度升过高又会导致纳米二氧化钛的颗粒长大，从 而影响粉体的纳米效应，进而影响改性后二氧化钛粉体对光的吸收， 以及其光催化性能。上述问题给纳米二氧化钛改性，尤其是物理改性 带来了 一定的困难，也在很大程度上制约了改性后纳米二氧化钛的性
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提出了一种新的掺铁掺氮纳米二氧化钛粉 体的制备方法，将纳米二氧化钛粉体的制备与改性相结合，在改性过 程中将物理方法与化学方法结合，在不提高粉体煅烧温度的前提下使 铁和氮两种杂质能够均匀的掺入到二氧化钛颗粒的内部，并大幅度提 高二氧化钛的光催化效率。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下将四氯化钛 原料配制成水溶胶，水溶胶经过老化后加水稀释并掺入铁，再加温使 溶胶水解并产生沉淀，将沉淀物过滤，用水冲洗后干燥，得到掺铁纳 米二氧化钛粉体，然后将氮盐与掺铁纳米二氧化钛粉体混合后进行球 磨，将球磨后的粉体煅烧，冷却后即得掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体。 具体的， 一种掺铁掺氮纳米二氧化钛的制备方法，包括如下步骤: (A)按四氯化钛与纯水以1: 1 4的体积比，在0 40'C下将四氯化钛滴加到纯水中，充分搅拌配制成四氯化钛水溶胶；(B) 将步骤(A)制得的四氯化钛水溶胶放置老化；(C) 控制温度在0~40°C，往老化后的四氯化钛水溶胶中加入纯水 和水溶性铁盐，充分搅拌制得无色透明溶液；所述纯水的加入量为老 化后的四氯化钛水溶胶体积的1 4倍，所加入的水溶性铁盐含有的铁 与四氯化钛水溶胶中所含的钛的物质的量比为1: 20 200;(D) 将步骤(C)得到的无色透明溶液的温度调至40 6(TC搅拌 0.5~3小时；(E) 搅拌下将体系温度上升到65~100°C，保温并搅拌回流0.5~4 小时，产生沉淀，将得到沉淀物过滤、水洗、干燥即得掺铁纳米二氧 化钛粉体；(F) 在室温条件下，往步骤(E)制得的掺铁纳米二氧化钛粉体中掺 入氮盐，并充分球磨；所掺入氮盐中含有的氮与掺铁纳米二氧化钛粉 体中所含的钛的物质的量比为1: 4 12;(G) 将球磨后的粉体在400 1200。C条件下煅烧0.5~4小时，冷却 后即得掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体。下面对上述各步骤的实施进行具体说明。所述步骤(A)中，四氯化钛与纯水的体积比优选为1: 1.5~2.5， 搅拌温度优选为0 2(TC。更优选四氯化钛与纯水的体积比为1: 2， 搅拌温度为0 5"。所述步骤(B)中，老化时间在2小时至15天均可，优选2 60小 时，进一步优选为8 60小时，更优选为12 48小时。所述步骤(C)中，水溶性铁盐一般可选择氯化铁、硫酸铁或硫酸 亚铁。 一般先将水溶性铁盐溶解在纯水中得到铁盐溶液，然后再将铁 盐溶液滴加到老化后的水溶胶中，充分搅拌得无色透明溶液。当然将 可溶性铁盐和纯水分别加入也可。步骤(C)中，优选控制纯水和水溶性铁盐的加入温度在0 20°C， 更优选在0 5'C。纯水的加入量优选为老化后的水溶胶体积的1.5~2.5 倍，所加入的水溶性铁盐含有的铁与四氯化钛水溶胶中所含的钛的物 质的量比优选为l: 80 140。更优选纯水的加入量为老化后的水溶 胶体积的2倍，所加入的水溶性铁盐含有的铁与四氯化钛水溶胶中所 含的钛的物质的量比为1: 100。所述步骤(D)中，优选调整溶液温度至50 6(TC搅拌1.5-2.5小时， 更优选调整溶液温度调至60"C搅拌2小时。所述步骤(E)中，优选搅拌下将体系温度上升到90 10(TC，保温 并搅拌回流1~3小时，沉淀。最优选搅拌下将体系温度上升到95°C， 保温并搅拌回流2小时，沉淀。所述步骤(F)中的氮盐可选择氯化铵或硫酸铵。所掺入氮盐中含 有的氮与掺铁纳米二氧化钛粉体中所含的钛的物质的量比优选为1: 6 10，更优选1: 8。球磨时间一般在0.5 4小时，球磨速度每分钟 300~900转；优选球磨时间为1.5 3小时，球磨机的转速每分钟 400 800转。更优选球磨时间为2小时，球磨机的转速每分钟500 600 转。所述步骤(G)中，球磨后的粉体优选在500 100(TC煅烧1 3小时，更优选在60(TC煅烧2小时。本专利技术所述的掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体的制备方法，其技术优势主要体现在(1) 二次掺杂过程只需要一次煅烧， 一方面节约能源，另一方 面可避免多次煅烧导致纳米粉体颗粒长大，更好的利用纳米颗粒的比表面效用；(2) 采用化学方法与物理方法相结合， 一方面可使铁均匀的进 入到二氧化钛的晶格结构中，另一方面可使氮均匀分布于纳米颗粒表 面层，尤其是非晶化层内。(3) 掺F^+可很好地将二氧化钛所产生的光生电子和空穴分离， 提高光催化效率；掺N后，由于N与O在离子半径、电负性等方面 的差异，导致二氧化钛内的Ti-O、 O-O和N-O键长与正常的上述键 长相比发生了变化，导致二氧化钛的禁带宽度减小，光的响应波长也 随之拓展。因此掺铁掺氮后， 一方面可提高二氧化钛的光催化效率， 另一方面可拓展其光响应波长，从而大幅度提高光催化性能。附图说明图1是制备本专利技术所述掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体的工艺流程图。图2是实施例5制得掺铁掺氮二氧化钛纳米粉体的X射线(XRD)图。图3是掺铁掺氮二氧化钛纳米粉体的紫外吸收光谱分析结果，其中samplel、 2、 3、 4和5分别对应实施例1、 2、 3、 4和5制得的掺 铁掺氮二氧化钛纳米粉体。具体实施例方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的保护范 围并不限于此。 实施例1(1) 将一个容量为1000mL三口瓶固定于冰水浴内，取纯水 (H20) 300mL装入三口瓶中；在三口瓶的中间口上安装冷凝管，利用自来水冷凝；在三口瓶的一个口上安装接点式温度计，以监测并控 制反应体系的温度；取TiCU300mL装入干燥的恒压分液漏斗内，将 恒压分液漏斗安装在三口瓶的另一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体的制备方法，其特征在于所述制备方法包括如下步骤：　（Ａ）按四氯化钛与纯水以１∶１～４的体积比，在０～４０℃下将四氯化钛滴加到纯水中，充分搅拌配制成四氯化钛水溶胶；　（Ｂ）将步骤（Ａ）制得的四氯化钛水溶 胶放置老化；　（Ｃ）控制温度在０～４０℃，往老化后的四氯化钛水溶胶中加入纯水和水溶性铁盐，充分搅拌制得无色透明溶液；所述纯水的加入量为老化后的四氯化钛水溶胶体积的１～４倍，所加入的水溶性铁盐含有的铁与四氯化钛水溶胶中所含的钛的物质的量 比为１∶２０～２００；　（Ｄ）将步骤（Ｃ）得到的无色透明溶液的温度调至４０～６０℃搅拌０．５～３小时；　（Ｅ）搅拌下将体系温度上升到６５～１００℃，保温并搅拌回流０．５～４小时，产生沉淀，将得到沉淀物过滤、水洗、干燥即得掺铁纳米 二氧化钛粉体；　（Ｆ）在室温条件下，往步骤（Ｅ）制得的掺铁纳米二氧化钛粉体中掺入氮盐，并充分球磨；所掺入氮盐中含有的氮与掺铁纳米二氧化钛粉体中所含的钛的物质的量比为１∶４～１２；　（Ｇ）将球磨后的粉体在４００～１２００℃条件下煅 烧０．５～４小时，冷却后即得掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：李国华，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]