本发明专利技术涉及一种双温区还原法制备黑色二氧化钛的方法，将二氧化钛和高活性金属隔开一定距离地置于具有负压的密闭系统中，分别将所述二氧化钛和高活性金属加热至不同的温度热处理规定的时间，以使所述密闭系统的中的氧分压低于二氧化钛的平衡氧分压从而所述二氧化钛被还原而得到黑色二氧化钛；其中，将所述高活性金属加热至第一温度，将所述二氧化钛加热至低于所述第一温度的第二温度，受热的高活性金属与所述密闭系统的中氧气反应从而降低所述密闭系统的氧分压进而使所述密闭系统的氧分压低于二氧化钛的平衡氧分压。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及黑色二氧化钛粉体和薄膜的制备方法，具体涉及一种通过双温区高活性金属辅助还原二氧化钛制备晶相和粒径可控的黑色二氧化钛粉体和薄膜的方法。
技术介绍
随着环境污染和能源危机的日益严峻，太阳能作为最有应用前景的清洁能源受到了广泛的关注。二氧化钛作为一种储量丰富而又环保的半导体材料，自1972年发现二氧化钛光电极表面持续产氢的现象以来(Fujishima, A.;Honda, K.;Nature238, 37-38),基于二氧化钛的半导体光催化技术受到了极大关注并取得了巨大的进展，他可以用于降解有机污染物、裂解水产氢、抗菌和防污等方面，是解决目前能源短缺和环境污染等问题的一个理想途径。然而，二氧化钛光催化材料还存在一些问题，使其在实际应用推广中受到极大的限制，目前制约二氧化钛光催化效率的一个主要问题是二氧化钛材料的光响应范围窄。二氧化钛由于禁带宽度较宽(锐钛矿、板钛矿: 3.2eV ;金红石相: 3.0eV),仅能吸收再太阳光中占4%的紫外光；而可见光的能量却占太阳光能量的46%。要想从本质上提高二氧化钛的光催化活性，必须拓展它的可见光响应范围。为了使二氧化钛具有可见光响应，人们研究了多种改性方法来拓展其对太阳光的吸收范围，包括块体化学修饰(金属/非金属离子掺杂、两种或以上离子的共掺)和表面修饰(窄带隙半导体复合、贵金属沉积以及表面改性)。通过水热、溶胶-凝胶、浸溃等方法，许多金属离子已被成功掺入二氧化钛中。Choi等人通过溶胶-凝胶法系统研究了 21种金属离子的掺杂对光催化活性的影响，发现金属离子掺杂能极大的影响光生载流子分离速率以及界面电子传输速率(Choi,ff.; Termin’A.; Hoffman, M.R.; J.Phys.Chem.，1994，98，13669)。非金属离子掺杂也能有效改变二氧化钛的能带结构，进而提高其光催化活性。多种非金属离子(B、C、N、F、S、Cl、Br等)的掺杂对二氧化钛光催化性能的提高已见诸报导。表面修饰主要是指敏化，任何拥有窄带隙或者能够吸收可见光或红外光的材料都可作为二氧化钛的敏化剂，其中包括窄带隙无机半导体、贵金属纳米颗粒以及有机染料。以上的方法虽然能在一定程度上拓展二氧化钛的光谱响应，但存在拓展范围有限，光吸收提高不足的缺点。因此，如何提高二氧化钛的光催化活性仍是目前乃至今后需要解决的问题。在研究过程中发现，经表面还原处理制备的Ti02_x型光催化剂(含有部分Ti3+)显示出优异的光催化活性。目前主要利用高温度氢还原以及氢等离子体还原这两种方法对二氧化钛进行还原改性以改善二氧化钛的光催化性能。但氢还原法工艺复杂、存在易燃易爆等不安全因素，并且耗时长、成本高；而氢等离子体还原法存在着设备投入费用高、耗能高、工艺条件复杂等缺点，难以实现工业话，限制了这两种改性方法的应用。
技术实现思路
面对现有技术存在的问题，为了实现对太阳光的全光谱高吸收利用，本专利技术的目的在于提供一种可以简单、快速制备高催化性能二氧化钛粉末及薄膜的方法，对此，我们使用了一种新的方法，利用高活性金属辅助对二氧化钛进行还原，制备的黑色二氧化钛在可见光及红外区域均具有很高的吸收率，从而显著拓展了二氧化钛的光响应范围，从而大大提高了其光催化性能。在此，本专利技术提供一种，将二氧化钛和高活性金属隔开一定距离地置于具有负压的密闭系统中，分别将所述二氧化钛和高活性金属加热至不同的温度热处理规定的时间，以使所述密闭系统的中的氧分压低于二氧化钛的平衡氧分压从而所述二氧化钛被还原而得到黑色二氧化钛；其中，将所述高活性金属加热至第一温度，将所述二氧化钛加热至低于所述第一温度的第二温度，受热的高活性金属与所述密闭系统的中氧气反应从而降低所述密闭系统的氧分压进而使所述密闭系统的氧分压低于二氧化钛的平衡氧分压。本专利技术中，在负压下，利用加热高活性金属，使金属与系统中的氧气反应，从而降低整个系统的氧分压，当氧分压低于二氧化钛的平衡氧分压时，二氧化钛就被还原，从而制得了黑色的二氧化钛。本专利技术使用两个加热区间，将起还原作用的物质与被还原的二氧化钛分离，从而可以实现对两者温度的独立控制，而又通过密闭系统整体气压的一致性实现两者的相互作用，达到还原二氧化钛的目的。本方法可以直接对二氧化钛粉体和薄膜进行大规模的处理，得到高催化性能的二氧化钛粉体和薄膜。与常用的氢气高温高压还原法相t匕，本专利技术对设备要求低，制备周期短，还原效果更显著，可在低温下得到晶相可控、粒径可控、高光催化性能的二氧化钛粉体和薄膜。本专利技术还可在衬底上制备高质量的二氧化钛透明导电薄膜，其质量和导电性接近于商用的ITO薄膜。本专利技术制备得到的二氧化钛可在染料敏化太阳能电池，光解水产氢等领域中有广阔的应用前景。较佳地，所述第一温度可为500 1500°C，优选700 1000°C。较佳地，所述第二温度可为100 600°C，优选300 500°C。较佳地，所述规定的时间可为2 12小时。较佳地,所述负压的压力小于30Pa,优选小于IPa。较佳地，所述高活性金属包括锂、镁、铝、钙、镓、锶、铟、钡中一种或任意两种以上的组合。本专利技术中，所述二氧化钛包括二氧化钛粉体和二氧化钛薄膜，其中所述二氧化钛粉体的微观形态包括球、棒、带、管和不规则多边形中的一种或几种的组合，所述二氧化钛薄膜包括通过溶胶-凝胶法、丝网印刷法、激光化学气相沉积法、水热结晶法，、电泳法、磁控溅射法中的一种或几种的组合制备的二氧化钛薄膜。本专利技术的有益效果: 只需普通的真空系统即可实现黑色二氧化钛粉末和薄膜的大规模制备；利用高活性金属的辅助降低了整个系统的氧分压，使得对真空系统的要求大大降低；而且将二氧化钛与高活性金属分开，不仅方便收集样品，而且可以实现对两者温度的独立控制，从而可以有效的控制粉体粒径增大；更重要的是可以通过对处理温度和处理时间的调节，控制粉体中锐钛矿相和金红石相的比例，以达到最佳的效果。与传统的高温高压氢气还原相比，本专利技术得到的二氧化钛晶相和粒径可控，还原更为彻底，光催化性能更好，且所需设备简单、制备周期短、危险性低。附图说明图1本专利技术用于制备黑色二氧化钛的密闭装置的示意 图2示出未经本专利技术的方法处理的二氧化钛粉末(TiO2)的TEM图和通过本专利技术的方法以铝为高活性金素还原处理后得到的黑色二氧化钛粉末(Ti02_x) TEM图，其中图2中的a、c示出未经本专利技术的方法处理处理的二氧化钛粉末(TiO2)的TEM图和放大TEM图、b示出经本专利技术的方法处理后得到的黑色二氧化钛粉末(Ti02_x)的TEM图、d f分别示出在300°C、400°C、500°C下还原处理8小时后得到的黑色二氧化钛粉末(Ti02_x)的放大TEM 图3示出未经本专利技术的方法处理的二氧化钛粉末(Ti02)、以及通过本专利技术的方法以铝为高活性金属，在300°C、400°C、500°C下还原处理8小时后得到的黑色二氧化钛粉末(Ti02_x)的对比吸收光谱 图4示出未经本专利技术的方法处理的二氧化钛粉末(Ti02)、以及通过本专利技术的方法以铝为高活性金属，在500°C下还原处理4小时、6小时和8小时后得到的黑色二氧化钛粉末(Ti02_x)的对比吸收光谱 图5示出未经本专利技术的方法处理的二氧化钛粉末(Ti02)、以及通过本专利技术的方法本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种双温区还原法制备黑色二氧化钛的方法，其特征在于，将二氧化钛和高活性金属隔开一定距离地置于具有负压的密闭系统中，分别将所述二氧化钛和高活性金属加热至不同的温度热处理规定的时间，以使所述密闭系统的中的氧分压低于二氧化钛的平衡氧分压从而所述二氧化钛被还原而得到黑色二氧化钛；其中，将所述高活性金属加热至第一温度，将所述二氧化钛加热至低于所述第一温度的第二温度，受热的高活性金属与所述密闭系统的中氧气反应从而降低所述密闭系统的氧分压进而使所述密闭系统的氧分压低于二氧化钛的平衡氧分压。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄富强，汪宙，杨重寅，林天全，尹浩，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。