[發明專利]鐵和氮共摻雜的介孔氧化鈦光催化材料及其制備方法

無效

• 申請號: 200910067690.1
• 申請日: 2009-01-14
• 公開（公告）號: CN101462068A
• 公開（公告）日: 2009-06-24
• 發明（設計）人: 袁忠勇;邵高聳
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C02F1/30;B01J21/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種鐵和氮共摻雜的介孔氧化鈦光催化材料及其制備方法，屬于無機納米光催化材料領域。

背景技術

目前全球環境污染和能源危機日趨嚴重，人們迫切需要開發高效、低能耗、使用范圍廣、不污染環境的功能材料，光催化劑TiO₂正迎合了大家的要求。但TiO₂產生的光生電子—空穴易于復合，光催化降解效率不高，太陽光利用率極低。因此人們試圖通過改變二氧化鈦的晶體結構，尺寸以及表面性質來提高其效率，實現全頻利用太陽光。Choi等人系統的研究了21種金屬離子對TiO₂光催化活性的影響，結果表明Fe³⁺的效果最好。一般認為，Fe³⁺是一種優良的摻雜物種：Fe³⁺的半徑和Ti⁴⁺接近，Fe³⁺既能作為電子的捕獲中心，又能作為空穴的捕獲中心，從而可有效促進光生電子和空穴的分離，抑制其復合，提高TiO₂的光催化效能。但單一金屬鐵的摻雜會導致TiO₂的熱穩定性下降。2001年日本學者R.Asahi等人在SCIENCE上首次報道氮摻雜二氧化鈦(TiO_2-xN_x)對可見光催化活性研究后，非金屬元素特別是N元素摻雜氧化鈦光催化劑的研究紛紛開展。但單一氮的摻雜使催化劑表面接觸角明顯增大，使可見光降解有機污染物低速率和不穩定。CN1557540A公開了一種N摻雜氧化鈦介孔光催化材料的制備方法，與大多數文獻及專利報道的方法類似，以鈦酸酯和硫尿為原料合成Ti基前驅物，再以此前驅物在氨氣氣氛中不低于450℃中焙燒，即得到銳鈦礦相N摻雜TiO₂，該材料具有較高的光催化活性，但是，高溫焙燒可能導致TiO₂納米晶粒團聚長大和向金紅石相的轉變。

我們主要從受主能級和施主能級考慮合成出鐵和氮共摻雜的介孔氧化鈦材料。合成的產品通過加入表面活性劑的方法增加比表面，增加降解物在TiO₂的吸附，提高光催化反應效率。鐵和氮共摻雜后，不僅使二氧化鈦吸收邊帶紅移至可見光區，而且有效提高了光催化活性和穩定性，其對有機染料分子如羅丹明B等的光催化降解活性在可見光下就有很好的降解。這將在廢水、廢氣處理，環境污染等方面很有應用前景。

發明內容

本發明的目的在于提供一種一步或兩步法低溫下制備鐵和氮共摻雜的氧化鈦介孔光催化材料。金屬元素鐵和非金屬元素氮的共摻雜不是一種相互競爭的過程，而是鐵取代晶格中的鈦，氮取代晶格中的氧。鐵氮共摻雜后的氧化鈦保持了良好的銳鈦礦晶相，只含有少量的板鈦礦，并且平均晶粒尺寸大小20—25nm。產品比表面較大，增強降解物在催化劑表面的吸附，提高降解效率。本發明合成的光催化劑具有較好的熱穩定性和量子效率，在可見光區表現出更好的光吸收系數。

本發明的另一目的在于提供一種原料易得、操作簡單、熱穩定性較高及具有可見光敏感特性的光催化材料。

本發明的目的是通過以下技術措施達到的：

本發明以鈦酸丁酯、硝酸鐵和尿素等為原料，一步或兩步法合成鐵和氮共摻雜的氧化鈦介孔材料。該制備方法包括如下方案：

一步法：鈦酸丁酯的乙醇溶液(體積比1:2)與一定量的硝酸鐵的乙醇溶液在室溫下混合，強烈攪拌下加入表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)(含量2～10％)，再滴加入一定量尿素水溶液(PH≈2)，用旋轉蒸發儀脫除溶劑后，固體物在100℃烘箱中干燥，研磨成粉末，馬弗爐中以60℃開始加熱，2℃/min，350-550℃下加熱3.5h，得棕黃色粉末樣品。

兩步法：室溫下，取鈦酸丁酯的乙醇(體積比1:2)，與一定量的Fe(NO₃)₃乙醇溶液混合，并在強烈攪拌下加入CTAB(含量2～10％)，再通過恒壓滴液漏斗逐滴加入稀硝酸(PH≈2)溶液中，所得黃色膠體轉移到高壓釜中在145℃下老化48小時，在空氣中自然冷卻到室溫后抽濾，用無水乙醇洗滌，80℃烘箱干燥。得到的黃色前驅體粉末再和一定濃度尿素溶液混合，攪拌3小時，靜止過夜，取出過濾、干燥，最后樣品在馬弗爐中以60℃開始加熱，2℃/min，350-550℃下焙燒3.5h，得黃棕色粉末。

采用以上方案和工藝步驟，即可制備具有介孔結構的鐵和氮磷共摻雜的氧化鈦材料，其物相主要是銳鈦礦，吸收光譜擴展寬，具有可見光催化活性。