一种ＴＣ４基体纳米二氧化钛薄膜光催化剂热处理表面改性方法技术

一种ＴＣ４基体纳米二氧化钛薄膜光催化剂热处理表面改性方法，涉及一种纳米二氧化钛薄膜光催化剂的表面改性方法。本发明专利技术解决了现有固定化二氧化钛光催化剂的催化活性低的问题。本发明专利技术的方法：首先利用阳极氧化方法在ＴＣ４钛合金上制备纳米二氧化钛薄膜；然后把纳米二氧化钛薄膜放入管式炉中，加热至３００～６００℃，保温１～３ｈ，再随炉冷却即可。本发明专利技术的方法成功地制备了Ｔｉ和Ｖ复合氧化物，得到的改性纳米二氧化钛光催化剂的光催化制氢的产氢速率是没有进行热处理的二氧化钛薄膜的产氢速率的１．１８倍，光催化制氢性能提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米二氧化钛薄膜光催化剂的表面改性方法。
技术介绍
环境及能源危机是人类生存和发展所面临的严峻问题。由于氢气燃烧的产物是 水，燃烧热高并且不会对境有任何污染，因此氢能是目前大家关注最多的绿色源之一；而 太阳能是一种取之不尽、用之不竭的自然源，利用太阳能光解水制氢成为人们目前研究的 热点，1972年Fujishima和Honda发现TiO2可以光解水制氢，近几十年来，人们对光催 化产氢的理论和技术进行了深入广泛的研究，取得了很大的进展，但是也存在一些亟待解 决的问题，经过改性的纳米粉末状的催化剂有很好的产氢效果，但由于回收困难，既无法重 复使用，排到环境中又会造成污染，所以制备具有高可见光活性和光稳定性的固定化半导 体光催化剂是研究的重点和难点。但是TiO2是宽带隙半导体，锐钛矿的禁带宽度为3. 2eV,金红石的禁带宽度为 3. OeV,主要对波长小于400nm的紫外光才有吸收；此外还存在光生电子_空穴对寿命短、 光催化过程量子效率低等缺点。V2O5禁带宽度为2.24eV。可以吸收λ彡564nm的太阳光， 把具有这种窄带隙的V2O5与宽带隙的TiO2复合到一起提高了光的利用率。V205/Ti02耦合型 催化剂，广泛的用于工业上的一些重要的催化反应，包括二甲苯的选择氧化反应，碳氢化合 物的氨氧化反应，伊朗科技大学的M. R. Bayati，用微弧氧化(MAO)的方法，以纯钛为基体， 电解液为0. 03M的NaV03，使用交流电源，施加电压为25(T500V，制备了禁带宽度为2. 58eV 窄带隙的(V2O5)x-(TiO2) 1-x纳米片结构的膜层。虽然实现了催化剂的纳米化和固定化，但 是纳米粒子呈无序结构排列，在纳米颗粒上存在大量的晶界和表面缺陷，这些晶界和表面 缺陷会捕获电子，从而导致光生电子和空穴复合几率大，从而影响了光催化剂的催化活性。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有固定化二氧化钛光催化剂的催化活性低的问题，提 供了一种TC4基体纳米二氧化钛薄膜光催化剂热处理表面改性方法。本专利技术的TC4基体纳米二氧化钛薄膜光催化剂热处理表面改性方法是通过以下 步骤实现的一、在TC4钛基体上制备纳米二氧化钛薄膜将TC4钛基体进行预处理去除表 面氧化膜，然后将预处理后的TC4钛基体作为工作电极置于电解液中，铜片作为对电极，控 制反应电压为1(T30V，进行恒压阳极氧化2(Tl20min，即在TC4钛基体上得到纳米二氧化 钛薄膜，其中电解液组成为5飞g/L的NH4F和体积浓度为29Γ5%的H3PO4溶液，溶剂为水； 二、将经步骤一处理后的TC4钛基体放入管式炉内，然后将管式炉加热至30(T60(TC，保温 广3h，再随炉冷却即在TC4钛基体上得到改性后的二氧化钛薄膜光催化剂，即完成TC4基体 纳米二氧化钛薄膜光催化剂热处理表面改性方法。本专利技术通过两步法来实现纳米二氧化钛薄膜的热处理表面改性，得到具有Ti-O-V纳米结构的改性二氧化钛薄膜光催化剂，其中，钒以五氧化二钒的形式与TiO2复合在一起。 步骤一制备的纳米二氧化钛薄膜为有序排列的TiO2纳米管阵列，实现了固定化二氧化钛 薄膜的有序化和纳米化；经步骤二在管式炉中空气气氛中热处理后，将步骤一得到的纳米 二氧化钛薄膜中V元素高温(30(T60(TC)氧化成V2O5，并与TiO2复合在一起，得到了具有 Ti-O-V纳米结构的改性二氧化钛薄膜光催化剂。有序排列的TiO2纳米管阵列由于具有一 维的孔道结构，电子沿着孔壁传输，避免了晶粒之间的接触，因此加速了电子的传输速率， 有效提高光生电子_空穴对的分离效率，从而提高了纳米二氧化钛薄膜光催化剂的光催化 活性。本专利技术的热处理表面改性方法制备工艺简单，制备过程容易控制，而且V来自于 TC4钛基体，则V2O5与TiO2复合均勻，能有效提高光生电子_空穴对的分离效率。本专利技术在TC4钛基体上得到的改性后的二氧化钛薄膜光催化剂对可见光波段的 吸收增强；同时光催化制氢的效果比现有纳米二氧化钛薄膜的光催化制氢的产氢速率达到 22. 3μ L/h · cm2，是未进行热处理的纳米二氧化钛薄膜的产氢速率(18. 86 μ L/h · cm2)的 1. 18 倍。附图说明图1是具体实施方式十一至十四得到的改性后的二氧化钛薄膜光催化剂的紫外 可见光谱谱图；图2是具体实施方式十二得到的改性后的纳米二氧化钛薄膜光催化剂的 X-射线光电子能谱(XPS)谱图；图3是具体实施方式十二得到的改性后的纳米二氧化钛薄 膜光催化剂的光照时间和产氢量的关系曲线图；图4是具体实施方式十二得到的改性后的 纳米二氧化钛薄膜光催化剂的扫描电子显微镜形貌图；图5是具体实施方式十二得到的改 性后的纳米二氧化钛薄膜光催化剂的拉曼光谱谱图。具体实施例方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的 任意组合。具体实施方式一本实施方式TC4基体纳米二氧化钛薄膜光催化剂热处理表面改 性方法是通过以下步骤实现的一、在TC4钛基体上制备纳米二氧化钛薄膜将TC4钛基体 进行预处理去除表面氧化膜，然后将预处理后的TC4钛基体作为工作电极置于电解液中， 铜片作为对电极，控制反应电压为1(T30V，进行恒压阳极氧化2(Tl20min，即在TC4钛基体 上得到纳米二氧化钛薄膜，其中电解液组成为5飞g/L的NH4F和体积浓度为29Γ5%的H3PO4 溶液，溶剂为水；二、将经步骤一处理后的TC4钛基体放入管式炉内，然后将管式炉加热至 30(T60(TC，保温广3h，再随炉冷却即在TC4钛基体上得到改性后的二氧化钛薄膜光催化 齐IJ，即完成TC4基体纳米二氧化钛薄膜光催化剂热处理表面改性方法。本实施方式通过两步法来实现纳米二氧化钛薄膜的热处理表面改性，得到具有 Ti-O-V纳米结构的改性二氧化钛薄膜光催化剂，其中，钒以五氧化二钒的形式与TiO2复合 在一起。本专利技术的热处理表面改性方法制备工艺简单，制备过程容易控制，而且V来自于TC4钛基体，则V2O5与TiO2复合均勻，能有效提高光生电子-空穴对的分离效率。在TC4钛基体上得到的改性后的二氧化钛薄膜光催化剂对可见光波段的吸收增强；同时光催化制氢 的效果比现有纳米二氧化钛薄膜的光催化制氢的产氢速率达到22. 3μ L/h · cm2，是未进行 热处理的纳米二氧化钛薄膜的产氢速率(18. 86 μ L/h · cm2)的1. 18倍。具体实施方式二 本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中将TC4钛基体 进行预处理去除表面氧化膜的具体操作为将氢氟酸和浓硝酸按照体积比为1:1的比例混 合得混合酸溶液，然后将钛基体浸入混合酸溶液中，在混合酸溶液中停置广2S，然后取出， 用去离子水冲洗干净，然后再将钛基体浸入混合酸溶液中，停置广2s，然后取出，重复上述 操作1、次。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。本实施方式中具体重复操作次数可由钛基体表面变得光亮决定。具体实施方式三本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中控制反应 电压为15 25V。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中控制反应电压为20V。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＴＣ４基体纳米二氧化钛薄膜光催化剂热处理表面改性方法，其特征在于ＴＣ４基体纳米二氧化钛薄膜光催化剂热处理表面改性方法是通过以下步骤实现的：一、在ＴＣ４钛基体上制备纳米二氧化钛薄膜：将ＴＣ４钛基体进行预处理去除表面氧化膜，然后将预处理后的ＴＣ４钛基体作为工作电极置于电解液中，铜片作为对电极，控制反应电压为１０～３０Ｖ，进行恒压阳极氧化２０～１２０ｍｉｎ，即在ＴＣ４钛基体上得到纳米二氧化钛薄膜，其中电解液组成为：５～６ｇ／Ｌ的ＮＨ４Ｆ和体积浓度为２％～５％的Ｈ３ＰＯ４溶液，溶剂为水；二、将经步骤一处理后的ＴＣ４钛基体放入管式炉内，然后将管式炉加热至３００～６００℃，保温１～３ｈ，再随炉冷却即在ＴＣ４钛基体上得到改性后的二氧化钛薄膜光催化剂，即完成ＴＣ４基体纳米二氧化钛薄膜光催化剂热处理表面改性方法。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姜兆华，姚忠平，贾方舟，李春香，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]