[發明專利]一種非金屬-金屬共摻雜（001）面暴露二氧化鈦納米材料的制備方法

有效

• 申請號: 201210200210.6
• 申請日: 2012-06-18
• 公開（公告）號: CN102716760A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 潘春旭;張豫鵬
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域??

本發明涉及一種二氧化鈦納米材料的制備方法，特別涉及一種非金屬-金屬共摻雜（001）面暴露二氧化鈦納米材料的制備方法。

背景技術??

????隨著納米科學與技術的發展，納米半導體材料開始廣泛應用于環境保護、新能源材料等多種領域。納米TiO₂由于光照后不發生光腐蝕，耐酸堿性能好，化學性質穩定，對生物無毒性，來源豐富，產生光生電子和空穴的電勢點位高，有很強的氧化還原性能等優異的特性，在光催化凈化、染料敏化太陽能電池、有害氣體監測等領域有著廣泛的應用前景。近年來的理論和實驗研究證明，（001）面暴露在外的TiO₂具有極高的光催化活性，但由于(001)面暴露TiO₂的禁帶寬度同樣為3.2?eV,?只能吸收波長小于387?nm的紫外光，從而導致其只能在紫外光范圍內響應，太陽光利用效率極低。因此，很多科學家都將研究的重點集中在TiO₂的可見光改性和提高光響應效率上。這其中，對（001）面暴露的TiO₂進行金屬和非金屬摻雜具有極為重要的意義。

非金屬摻雜：是以非金屬元素取代氧離子（O^2-）的形式摻雜進入TiO₂晶格，從而改變TiO₂的價帶結構，使其能帶間隙變窄，擴展光吸收范圍；同時非金屬摻雜也能誘導產生氧缺陷位置，起到改善光生載流子的分離效率，提高光催化性能的作用。

目前，已有N，C，S三種非金屬元素被成功摻入到（001）面暴露TiO₂材料的報道。具體方法是：分別將TiN、TiC或TiS₂作為鈦源，并在體系中加入適量氫氟酸（HF）和強氧化劑，160-200?℃狀態下通過水熱反應2?–?20小時，即可得到N、C或S摻雜的（001）面暴露在外的TiO₂納米材料。此方法的優點：通過選擇鈦源，可以很好地控制非金屬摻雜種類。同時，實驗方法簡單快捷，利于大規模制備。缺點：TiN,?TiC或TiS₂的顆粒尺寸太大，通過水熱反應制備出的非金屬摻雜（001）面暴露TiO₂為亞微米級顆粒或片，對其光催化性能產生很大影響。

金屬摻雜：在TiO₂中引入金屬離子，同樣可以大大改善其光催化活性。金屬離子摻雜的增強機制是以金屬離子代替TiO₂表面上的Ti⁴⁺，形成淺電子陷阱，改善光生載流子的分離效率。目前研究最為廣泛的是過渡金屬摻雜。?

然而，由于TiO₂納米結構的結晶程度高，通過化學方法難于將金屬離子摻入TiO₂晶格；同時，金屬離子前驅體會在很大程度上影響（001）面暴露TiO₂納米結構的成核和生長。因此，非金屬-金屬共摻雜（001）面暴露TiO2納米結構的制備條件都極為苛刻，難于實現可控制備，到目前為止，具有金屬摻雜，以及非金屬-金屬共摻雜的（001）面暴露TiO₂納米結構還未見報道。?

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種具有非金屬-金屬共摻雜的（001）面暴露TiO₂納米材料的制備方法。

由于非金屬-金屬共摻雜（001）面暴露TiO₂納米結構的制備條件都極為苛刻，難于實現可控制備。鑒于此，發明人通過二次水熱法制備具有非金屬-金屬共摻雜的（001）面暴露TiO₂納米材料。本方法是以水熱法合成具有非金屬-金屬共摻雜的產物H₂Ti₃O₇納米管作為鈦源，然后通過二次水熱法，制備出具有納米級非金屬-金屬共摻雜的（001）面暴露TiO2材料；另一方面，由于非金屬和金屬的共摻雜，可對TiO₂的價帶和導帶結構同時進行調控，從而使可見光吸收和光生載流子的轉移效率大幅提高，從而提高了光催化效率和活性。

本發明采取的技術方案是：