[發明專利]一種具有撥浪鼓結構的共摻雜氧化鈦多孔微球及其制備方法

有效

• 申請號: 201110281289.5
• 申請日: 2011-09-21
• 公開（公告）號: CN102416338A
• 公開（公告）日: 2012-04-18
• 發明（設計）人: 石建穩;付明來;崔浩杰;陳少華
• 申請（專利權）人: 中國科學院城市環境研究所
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10;B01J37/10;C02F1/30;C02F101/38
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技術領域

本發明屬于一種光催化劑及其制備方法，具體地說涉及一種具有特殊撥浪鼓結構的雙元素共摻雜改性的氧化鈦多孔微球及其制備方法，該催化劑在可見光下具有較高的催化活性，可以用于光催化降解水中的有機污染物。

背景技術

紡織和其他與染料相關的工業會產生大量的有機污染物，如果這些污染物不加以處理直接排放，將會對水體造成嚴重的污染，在厭氧環境中甚至會產生致癌物質。為了消除這些有機污染物的潛在威脅，人們研究開發了很多方法處理這些污染物，如絮凝、吸附、超濾、反滲透、萃取。然而這些技術不能分解有機污染物，只是將其從一種狀態轉移到另一種狀態。

先進氧化技術，如紫外光解、過氧化氫氧化、臭氧氧化、芬頓氧化、光催化等可以分解有機污染物，直至完全礦化，因而獲得了大量研究。其中，半導體多相光催化技術近幾年來在污水處理、空氣凈化中的應用受到人們的普遍關注。在眾多的半導體光催化劑中，TiO₂因其價廉、無毒、高穩定性、能夠再生循環利用等優點，備受青睞。但是作為一種好的光催化材料，TiO₂還存在缺陷，主要表現在：（1）帶隙較寬（3.2?eV），只能被波長較短（<387.5?nm）的紫外光激發，在可見光范圍沒有響應，對太陽光利用率低；（2）光生電子與空穴的復合率高，光量子效率低。為克服這兩個缺點，人們采取了很多方法，其中TiO₂的摻雜改性得到了廣泛的應用。

在TiO₂中摻雜少量雜質離子，可使其成為光生電子-空穴對的淺勢捕獲陷阱，延長電子與空穴的復合時間，提高TiO₂的光催化性能，而且，一些摻雜還可以減小TiO₂的禁帶寬度，擴大其光吸收范圍，提高對太陽光的利用率。以往的研究大多是對TiO₂進行單一元素的摻雜。最近幾年研究發現，對TiO₂進行兩種元素共摻雜，摻雜的兩種元素分別起不同的作用，可以進一步提高TiO₂的光催化活性。

此外，大量研究證實，對TiO₂進行合適的形貌和結構的調控可以提高其光催化性能。因此，各種不同形貌結構的TiO₂光催化劑（如納米棒、納米管、納米線、納米頁、納米孔球等）已成功被制備出，其中具有中孔結構的TiO₂由于其強吸附性能，被認為是一種具有應用潛力的光催化劑，而且具有撥浪鼓結構的TiO₂微球可使入射的光在其內腔中多次反射，有助于提高光能的利用率。因此，如果將二者結合，制備雙元素共摻雜的具有撥浪鼓結構的TiO₂微球，或許可以得到更高可見光活性的新型光催化材料。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種主要用于降解水中有機污染物的光催化劑。該光催化劑為稀土金屬銪（Eu）和非金屬氮（N）共摻雜的氧化鈦微球，具有撥浪鼓結構，且結構中存在大量的中孔結構。氮的摻雜使催化劑具有可見光活性；銪的摻雜有助于提高光生電子的傳遞速率，減小光生電子與空穴的復合機率，提高催化劑的光催化性能；結構中存在的大量的中孔可對待降解有機物形成吸附，提高降解效率；撥浪鼓狀的中空結構可使入射光在內部空腔中多次反射，提高光能的利用效率。

本發明的目的之二在于提供一種制備具有撥浪鼓結構的銪氮共摻雜的氧化鈦微球的簡單易行的方法。該方法的特色是“一釜”制備成型，將所有前驅物按一定配比加入一反應釜后，經水熱反應后，即可得到具有撥浪鼓結構的銪氮共摻雜的氧化鈦微球催化劑。其具體制備方法如下：

（1）在室溫下將2~15?mL的鈦醇鹽、3~20?mL的冰醋酸、0.001~0.02?g的硝酸銪溶解在20~60?mL的乙醇中形成溶液A；

（2）將0.3~1.5?g的聚乙二醇（分子量2000）和0.7~3.8?g的尿素加入到溶液A中，40~60?℃的條件下水浴加熱并攪拌，得到澄清透明的溶液B；

（3）將溶液B密封在80~200?mL的反應釜中，于160~220?℃的條件下水熱反應2~8小時；

（4）自然冷卻到室溫后，將水熱反應的產物分別用水和乙醇洗滌三次，然后于80?℃的條件下烘干，得到具有撥浪鼓結構的銪氮共摻雜的氧化鈦微球。