[發(fā)明專利]納米單晶二氧化鈦光催化劑的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910055500.4
• 申請日: 2009-07-28
• 公開（公告）號: CN101612557A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李和興;朱建;王少華;蔡陳靈;卞振鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 上海師范大學(xué)
• 主分類號: B01J21/06
• 分類號: B01J21/06;A62D3/17;C07B41/00;A62D101/26;A62D101/28
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 季申清

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于二氧化鈦催化劑技術(shù)，具體地說是一種納米單晶二氧化鈦光催化劑的制備方法。

背景技術(shù)

上世紀(jì)七十年代初，人們將半導(dǎo)體材料用于催化光解污染物取得了突破性進(jìn)展。人們用TiO₂電極分解水；用TiO₂粉末催化光解水中污染物，得到了滿意的效果。上世紀(jì)80年代，隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，大氣、水體污染的不斷加劇，半導(dǎo)體多相光催化逐漸受到世界環(huán)境保護(hù)專家的重視。現(xiàn)在光催化降解和消除環(huán)境污染物已成為最重要的研究領(lǐng)域，使半導(dǎo)體多相光催化在近20年來發(fā)展成為一項新的環(huán)保技術(shù)，開辟了半導(dǎo)體催化劑在環(huán)境保護(hù)方面的新領(lǐng)域。以TiO₂為例的半導(dǎo)體材料，當(dāng)吸收了波長小于或等于387.5nm的光子后，價帶中的電子就會被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成帶負(fù)電的高活性電子e^-，同時在價帶上產(chǎn)生帶正電的空穴h⁺。在電場的作用下，電子與空穴發(fā)生分離，遷移到粒子表面的不同位置。熱力學(xué)理論表明，分布在表面的h⁺可以將吸附在TiO₂表面OH^-和H₂O分子氧化成·OH自由基，而·OH自由基的氧化能力是水體中存在的氧化劑中最強(qiáng)的，能氧化大多數(shù)的有機(jī)污染物及部分無機(jī)污染物，并將其最終降解為CO₂、H₂O等無害物質(zhì)。由于·OH自由基對反應(yīng)物幾乎無選擇性，因而在光催化氧化中起著決定性的作用。此外，許多有機(jī)物能直接為h⁺所氧化。而TiO₂表面高活性的e^-則具有很強(qiáng)的還原能力，可以還原去除水體中金屬離子。近年來，利用半導(dǎo)體光催化劑處理環(huán)境中各種污染物已引起世界關(guān)注，光催化降解有機(jī)物在環(huán)境治理方面具有重要意義。TiO₂以其無毒、催化活性高、化學(xué)穩(wěn)定性好、價廉易得及可直接利用太陽光等優(yōu)點(diǎn)受到人們的重視，并成為典型的光催化劑。高能晶面暴露的單晶材料由于其在催化及許多領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用而受到越來越多的關(guān)注。銳鈦礦TiO₂晶體各晶面的平均表面能的高低順序為：

0.90J·m^-2{001}＞0.53J·m^-2{100}＞0.44J·m^-2{101}。

不同的晶面用晶面符號(hkl)區(qū)別表示，其中h，k，l表示晶面指數(shù)，分別與晶軸x，y，z相對應(yīng)。由上式可以看出，在銳鈦礦TiO₂晶體中，(001)高能晶面的反應(yīng)活潑性要高于(101)晶面。目前合成的TiO₂晶體主要是以低能量的(101)晶面暴露為主，而關(guān)于(001)高能晶面暴露TiO₂的文獻(xiàn)少有報道。2008年，Yang?Huagui課題組報道了在含鈦水溶液中添加氫氟酸，然后進(jìn)行水熱反應(yīng)，合成了(001)高能晶面暴露的單晶銳鈦礦TiO₂。這種合成方法的缺點(diǎn)是：

1.單晶TiO₂合成產(chǎn)品是微米尺度，其比表面積小；

2.合成過程中添加了具有強(qiáng)腐蝕性、劇毒的氫氟酸作為輔助劑，給環(huán)境和操作人員帶來污染和危險。

經(jīng)廣泛查閱國內(nèi)外公開出版物和專利文獻(xiàn)，均未見有利用非水體系合成(001)高能晶面暴露的單晶TiO₂的文獻(xiàn)報道。因此發(fā)明一種利用非水體系，制備大比表面積的單晶TiO₂光催化劑提高催化降解效果是當(dāng)前環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域的一個極其重要任務(wù)。

本發(fā)明首次采用溶劑熱方法，在非水體系中，不借助氫氟酸的輔助作用合成(001)高能晶面暴露的納米單晶TiO₂。本發(fā)明方法合成的納米單晶TiO₂具有比表面積大及更多暴露的(001)高能晶面，其光催化降解甲基橙活性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)。因此，本發(fā)明具有顯著的新穎性、創(chuàng)造性和實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種比表面積大、光催化降解效果好，具有更多暴露的高能晶面的納米單晶TiO₂光催化劑的制備方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種納米單晶二氧化鈦光催化劑的制備方法，其步驟為：

(1)常溫下、將含鈦前驅(qū)物溶解于溶劑中，攪拌至完全溶解，得澄清的前驅(qū)溶液；

(2)將上述前驅(qū)澄清溶液移至水熱釜中，置入恒溫箱，恒溫0.5～3天；