[發明專利]一種TC4基體納米二氧化鈦薄膜光催化劑熱處理表面改性方法

無效

• 申請號: 201010213904.4
• 申請日: 2010-06-30
• 公開（公告）號: CN101837289A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 姜兆華;姚忠平;賈方舟;李春香
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B01J23/22
• 分類號: B01J23/22;B01J21/06;B01J37/08;B01J37/34;C01B3/04
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 韓末洙

技術領域

本發明涉及一種納米二氧化鈦薄膜光催化劑的表面改性方法。

背景技術

環境及能源危機是人類生存和發展所面臨的嚴峻問題。由于氫氣燃燒的產物是水,?燃燒熱高并且不會對境有任何污染，因此氫能是目前大家關注最多的綠色源之一；而太陽能是一種取之不盡、用之不竭的自然源，利用太陽能光解水制氫成為人們目前研究的熱點，1972年Fujishima和Honda發現TiO₂可以光解水制氫,?近幾十年來,?人們對光催化產氫的理論和技術進行了深入廣泛的研究,取得了很大的進展，但是也存在一些亟待解決的問題，經過改性的納米粉末狀的催化劑有很好的產氫效果，但由于回收困難，既無法重復使用，排到環境中又會造成污染，所以制備具有高可見光活性和光穩定性的固定化半導體光催化劑是研究的重點和難點。

但是TiO₂是寬帶隙半導體，銳鈦礦的禁帶寬度為3.2eV，金紅石的禁帶寬度為3.0eV,?主要對波長小于400nm的紫外光才有吸收;此外還存在光生電子-空穴對壽命短、光催化過程量子效率低等缺點。V₂O₅禁帶寬度為2.24eV?？梢晕咋恕?64nm的太陽光，把具有這種窄帶隙的V₂O₅與寬帶隙的TiO₂復合到一起提高了光的利用率。V₂O₅/TiO₂耦合型催化劑，廣泛的用于工業上的一些重要的催化反應，包括二甲苯的選擇氧化反應，碳氫化合物的氨氧化反應，伊朗科技大學的M.R.Bayati，用微弧氧化（MAO）的方法，以純鈦為基體，電解液為0.03M的NaVO3，使用交流電源，施加電壓為250~500V，制備了禁帶寬度為2.58eV窄帶隙的（V₂O₅）x-(TiO₂)1-x納米片結構的膜層。雖然實現了催化劑的納米化和固定化，但是納米粒子呈無序結構排列，在納米顆粒上存在大量的晶界和表面缺陷，這些晶界和表面缺陷會捕獲電子，從而導致光生電子和空穴復合幾率大，從而影響了光催化劑的催化活性。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有固定化二氧化鈦光催化劑的催化活性低的問題，提供了一種TC4基體納米二氧化鈦薄膜光催化劑熱處理表面改性方法。

本發明的TC4基體納米二氧化鈦薄膜光催化劑熱處理表面改性方法是通過以下步驟實現的：一、在TC4鈦基體上制備納米二氧化鈦薄膜：將TC4鈦基體進行預處理去除表面氧化膜，然后將預處理后的TC4鈦基體作為工作電極置于電解液中，銅片作為對電極，控制反應電壓為10~30V，進行恒壓陽極氧化20~120min，即在TC4鈦基體上得到納米二氧化鈦薄膜，其中電解液組成為：5~6g/L的NH₄F和體積濃度為2%~5%的H₃PO₄溶液，溶劑為水；二、將經步驟一處理后的TC4鈦基體放入管式爐內，然后將管式爐加熱至300~600℃，保溫1~3h，再隨爐冷卻即在TC4鈦基體上得到改性后的二氧化鈦薄膜光催化劑，即完成TC4基體納米二氧化鈦薄膜光催化劑熱處理表面改性方法。

本發明通過兩步法來實現納米二氧化鈦薄膜的熱處理表面改性，得到具有Ti-O-V納米結構的改性二氧化鈦薄膜光催化劑，其中，釩以五氧化二釩的形式與TiO₂復合在一起。步驟一制備的納米二氧化鈦薄膜為有序排列的TiO₂納米管陣列，實現了固定化二氧化鈦薄膜的有序化和納米化；經步驟二在管式爐中空氣氣氛中熱處理后，將步驟一得到的納米二氧化鈦薄膜中V元素高溫（300~600℃）氧化成V₂O₅，并與TiO₂復合在一起，得到了具有Ti-O-V納米結構的改性二氧化鈦薄膜光催化劑。有序排列的TiO₂納米管陣列由于具有一維的孔道結構，電子沿著孔壁傳輸，避免了晶粒之間的接觸，因此加速了電子的傳輸速率，有效提高光生電子-空穴對的分離效率，從而提高了納米二氧化鈦薄膜光催化劑的光催化活性。

本發明的熱處理表面改性方法制備工藝簡單，制備過程容易控制，而且V來自于TC4鈦基體，則V₂O₅與TiO₂復合均勻，能有效提高光生電子-空穴對的分離效率。