本发明专利技术涉及一种非金属-金属共掺杂的（001）面暴露TiO2纳米材料的制备方法。其制备方法是：首先用水热法合成出具有非金属-金属共掺杂的H2Ti3O7纳米材料；然后以此作为钛源，在第二次水热法合成过程中，通过加入适量的氟氢酸，最终制备出具有非金属-金属共掺杂的（001）面暴露TiO2纳米材料。本方法工艺简单，制备过程易于控制，生产效率高，对纳米TiO2的实际应用起到了极大的推动作用；本发明专利技术制备的非金属-金属共掺杂的（001）面暴露TiO2纳米材料与锐钛矿相TiO2纳米材料相比，对可见光的吸收效率以及光生载流子的转移效率明显提高，光电化学反应效率显著提高，在光催化环境治理、染料敏化太阳能电池、有害气体监测等方面具有很好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种二氧化钛纳米材料的制备方法，特别涉及一种非金属-金属共掺杂面暴露二氧化钛纳米材料的制备方法。
技术介绍
随着纳米科学与技术的发展，纳米半导体材料开始广泛应用于环境保护、新能源 材料等多种领域。纳米TiO2由于光照后不发生光腐蚀，耐酸碱性能好，化学性质稳定，对生物无毒性，来源丰富，产生光生电子和空穴的电势点位高，有很强的氧化还原性能等优异的特性，在光催化净化、染料敏化太阳能电池、有害气体监测等领域有着广泛的应用前景。近年来的理论和实验研究证明，(001)面暴露在外的TiO2具有极高的光催化活性，但由于(001)面暴露TiO2的禁带宽度同样为3. 2 eV,只能吸收波长小于387 nm的紫外光，从而导致其只能在紫外光范围内响应，太阳光利用效率极低。因此，很多科学家都将研究的重点集中在TiO2的可见光改性和提高光响应效率上。这其中，对(001)面暴露的TiO2进行金属和非金属掺杂具有极为重要的意义。非金属掺杂是以非金属元素取代氧离子(02_)的形式掺杂进入TiO2晶格，从而改变TiO2的价带结构，使其能带间隙变窄，扩展光吸收范围；同时非金属掺杂也能诱导产生氧缺陷位置，起到改善光生载流子的分离效率，提高光催化性能的作用。目前，已有N，C，S三种非金属元素被成功掺入到(001)面暴露TiO2材料的报道。具体方法是分别将TiN、TiC或TiS2作为钛源，并在体系中加入适量氢氟酸(HF)和强氧化剂，160-200 °C状态下通过水热反应2 - 20小时，即可得到N、C或S掺杂的(001)面暴露在外的TiO2纳米材料。此方法的优点通过选择钛源，可以很好地控制非金属掺杂种类。同时，实验方法简单快捷，利于大规模制备。缺点TiN，TiC或TiS2的颗粒尺寸太大，通过水热反应制备出的非金属掺杂(001)面暴露TiO2为亚微米级颗粒或片，对其光催化性能产生很大影响。金属掺杂在TiO2中引入金属离子，同样可以大大改善其光催化活性。金属离子掺杂的增强机制是以金属离子代替TiO2表面上的Ti4+，形成浅电子陷阱，改善光生载流子的分离效率。目前研究最为广泛的是过渡金属掺杂。然而，由于TiO2纳米结构的结晶程度高，通过化学方法难于将金属离子掺入TiO2晶格；同时，金属离子前驱体会在很大程度上影响(001)面暴露TiO2纳米结构的成核和生长。因此，非金属-金属共掺杂(001)面暴露Ti02纳米结构的制备条件都极为苛刻，难于实现可控制备，到目前为止，具有金属掺杂，以及非金属-金属共掺杂的(001)面暴露TiO2纳米结构还未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有非金属-金属共掺杂的(001)面暴露TiO2纳米材料的制备方法。由于非金属-金属共掺杂(001)面暴露TiO2纳米结构的制备条件都极为苛刻，难于实现可控制备。鉴于此，专利技术人通过二次水热法制备具有非金属-金属共掺杂的(001)面暴露TiO2纳米材料。本方法是以水热法合成具有非金属-金属共掺杂的产物H2Ti3O7纳米管作为钛源，然后通过二次水热法，制备出具有纳米级非金属-金属共掺杂的(001)面暴露Ti02材料；另一方面，由于非金属和金属的共掺杂，可对TiO2的价带和导带结构同时进行调控，从而使可见光吸收和光生载流子的转移效率大幅提高，从而提高了光催化效率和活性。本专利技术采取的技术方案是 1)按照比例为二氧化钛/金属盐/氟化铵/氢氧化钠溶液=(I 10)g/(0.I 5g)/(0. I 5g)/40ml取二氧化钛,金属盐,氟化铵,氢氧化钠溶液,将其加入到水热反应釜中搅拌均匀，并在100 150 °C温度条件下进行水热反应，待反应充分后，对反应产物依次进行 酸洗、水洗、干燥，得到非金属-金属掺杂H2Ti3O7纳米材料； 2)按照非金属-金属掺杂H2Ti3O7纳米材料/氟氢酸=Ig/(0 2.4)ml的比例取非金属-金属掺杂H2Ti3O7纳米材料、氟氢酸，将其加入到水热反应釜中，在150 200 °C温度条件下进行水热反应，待反应充分后，对反应产物依次进行水洗、干燥，得到非金属-金属共掺杂的(001)面暴露TiO2纳米材料。作为上述的优选方案有 所述步骤I)中的水热反应的时间> 24h。所述步骤2)中的水热反应的时间为IOh 24h。所述金属盐是可溶于碱性溶液的金属盐。所述氢氧化钠溶液的浓度为(5 15) mol/L。所述的氟氢酸的浓度为(0 3. 84) mol/L。本专利技术的技术效果体现为 I)本专利技术方法工艺简单，制备过程易于控制，生产效率高，对纳米TiO2的实际应用起到了极大的推动作用。2)与纯锐钛矿相TiO2纳米颗粒相比，本专利技术制备的非金属-金属共掺杂(001)面暴露TiO2纳米材料的光吸收和光生载流子的转移效率有大幅提闻，从而提闻了光催化效率和活性；且具有明显的红移现象；而且由于(001)面的大量暴露，降解有机物的降解效率显著提高。因此，在光催化环境治理、染料敏化太阳能电池、有害气体监测等方面具有很好的应用前景。附图说明图I为对比例和实施例I制备的N+Fe共掺杂(001)面暴露TiO2纳米材料的X-射线衍射(XRD)对比 图2为实施例2制备的N+Cr共掺杂(001)面暴露TiO2纳米材料的高分辨透射电镜(HRTEM) 图3为实施例3制备的N+Ni共掺杂(001)面暴露TiO2纳米材料的高分辨透射电镜(HRTEM) 图4为对比例与实施例3制备的N+Ni共掺杂(001)面暴露TiO2纳米材料的紫外可见漫反射谱对比 图5为对比例与实施例3制备的N+Ni共掺杂(OOl)面暴露TiO2纳米材料对亚甲基蓝的降解效果对比图。具体实施例方式下面结合具体实施例对本专利技术及其效果作进一步的描述。本具体实施方式并非对其保护范围的限制。实施例I : 1)取Ig 二氧化钛，0.1 g硝酸铁，0.1 g氟化铵和40mL ,5 mol/L的氢氧化钠溶液加入到水热反应釜中搅拌均匀。然后将其在110 °C温度条件下进行水热反应24小时，然后对反应产物依次进行酸洗、水洗、干燥，即得到N+Fe共掺杂H2Ti3O7纳米材料。，· 2)取Ig N+Fe共掺杂H2Ti3O7纳米材料，0. 6 ml浓度为0. 96mol/L的氢氟酸加入到水热反应釜中，在150 °C温度条件下进行水热反应10小时，然后对反应产物依次进行水洗，干燥，即得到具有N+Fe共掺杂的(001)面暴露Ti02纳米材料。图I所示为实施例I制备的N+Fe共掺杂(001)面暴露TiO2纳米材料与对比例制备的锐钛矿相TiO2纳米颗粒的X-射线衍射(XRD)对比图，由图中可以看出，实施例I制备的TiO2纳米材料的XRD谱图中锐钛矿相(200)衍射峰与(004)衍射峰的强度比增强。实施例2 1)取5g 二氧化钛,5 g氯化铬，5 g氟化铵和40mL, 10 mol/L的氢氧化钠溶液加入到水热反应釜中搅拌均匀。然后将其在温度为150 °C条件下进行水热反应48小时，然后对反应产物依次进行酸洗、水洗、干燥，即得到N+Cr共掺杂H2Ti3O7纳米材料。， 2)取Ig N+Cr共掺杂H2Ti3O7纳米材料，I. 2 ml的浓度为I. 92mol/L的氟氢酸加入到水热反应釜中，在200 °C本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种非金属-金属共掺杂(OOl)面暴露TiO2纳米材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤 1)按照比例为二氧化钛/金属盐/氟化铵/氢氧化钠溶液=(I 10)g/(0.I 5)g/(0. I 5)g/40ml取二氧化钛,金属盐,氟化铵,氢氧化钠溶液,将其加入到水热反应釜中搅拌均匀，并在100 150 °C温度条件下进行水热反应，待反应充分后，对反应产物依次进行酸洗、水洗、干燥，得到非金属-金属掺杂H2Ti3O7纳米材料； 2)按照非金属-金属掺杂H2Ti3O7纳米材料/氟氢酸=Ig/(0 2.4)ml的比例取非金属-金属掺杂H2Ti3O7纳米材料、氟氢酸，将其加入到水热反应釜中在150 200 °C温度条件下进行水热反应，待反应充分后，对反应产物依次进行水洗、干燥，得到非金属-金属共掺杂的(001)面暴露Ti02纳米材料...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘春旭，张豫鹏，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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