[發明專利]一步法制備氮摻雜二氧化鈦反蛋白石薄膜光催化劑的方法

無效

• 申請號: 201310071440.1
• 申請日: 2013-03-06
• 公開（公告）號: CN103143379A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 陳建峰;胡志彥;徐聯賓;王玲玲
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C02F1/30
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明屬于二氧化鈦光催化領域，特別涉及氮摻雜改性的二氧化鈦反蛋白石薄膜光催化劑制備及其應用領域。該方法制備出的催化劑特別適用于可見光照射下催化降解羅丹明B，達到較高的降解率。

背景技術

常見的單一化合物光催化劑為金屬氧化物或硫化物半導體材料，它們具有較高的禁帶寬度，能使反應在較大的范圍內進行。在這些單一化合物半導體材料中，金屬硫化物和氧化鐵的多晶型物，易受到光陰極腐蝕而影響了其活性和壽命，因而不是最佳的光催化材料，而二氧化鈦是最穩定和常用的光催化劑。二氧化鈦具有以下優點：(l)對紫外光的吸收率較高，小于387nm的紫外光均能激發生成電子一空穴對;(2)可直接利用太陽光、熒光燈中含有的紫外光;(3)具有良好的抗光腐蝕性和化學穩定性;(4)禁帶寬度寬，氧化還原能力強，有較高的光催化活性;(5)對很多有機污染物有較強的吸附作用。

TiO₂的三種晶型中，一般認為銳鈦礦的光催化活性最高，其次是金紅石，而板鈦礦和無定形二氧化鈦沒有光催化活性。由于TiO₂的禁帶（3.2eV）較寬，光吸收僅局限于紫外區，可利用的太陽能尚達不到照射到地面的太陽光譜的5%，而且TiO₂光生電子-空穴對復合率高，導致光催化量子效率較低（不高于20%），因此太陽能的利用效率僅在1%左右，大大限制了對太陽能的利用。為了提高對太陽能的利用率，開展高活性納米TiO₂的制備及提高TiO₂的光催化效率成為研究的熱點。目前文獻中報道的提高二氧化鈦光催化活性的途徑有兩種，一是通過摻雜降低TiO₂的禁帶寬度，摻雜能提高它對可見光的吸收，常用的摻雜物有S、C、N、I和過渡金屬等；另一種是通過改變TiO₂的表面結構（如貴金屬沉積）。

目前非金屬元素摻雜技術日趨成熟，成功摻雜的非金屬元素有B、N、C、F、P、S等。摻雜提高TiO₂在可見光區的響應程度必須滿足三個條件；(1)摻雜劑能在TiO₂的帶隙中產生能級，以利于吸收可見光；(2)摻雜劑的最小導帶能(包括那些非純態時的最小導帶能)應與TiO₂的一樣高，甚至要高于H₂/H₂O的電勢以保證光催化活性；(3)摻雜劑的帶隙應與TiO2的相互交迭以便在光生載流子(電子－空穴)的存在壽命內將其傳遞至催化劑表面的反應中心。

多級孔材料具有很高的比表面積，同時能很好地降低傳質阻力，使反應物能更容易地到達活性點位，產物更容易擴散分離；此外，多孔材料可以有許多組成，也可以加入很多的活性物質。此特點，在催化領域，特別是大分子催化領域具有顯著的優勢。而現在已經有不少這方面的應用。本發明結合了非金屬摻雜和多孔材料的優點，提供一種新的合成方法，利用聚苯乙烯微球和二氧化鈦前驅體的混合溶液一步合成了氮摻雜二氧化鈦反蛋白石薄膜光催化劑。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有高光催化活性的氮摻雜二氧化鈦反蛋白石薄膜光催化劑。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一步法制備氮摻雜二氧化鈦反蛋白石薄膜光催化劑的方法，其特征在于，首先將所用的石英玻璃基底進行預處理；將處理后的石英玻璃基底浸入含有單分散聚苯乙烯微球和二氧化鈦前驅體（同時作為氮源）的混合溶液中，混合溶液中溶劑為水，聚苯乙烯單分散微球的粒徑為300-500nm，濃度為0.1-0.3wt%，二氧化鈦前驅體為二(2-羥基丙酸)二氫氧化二銨合鈦，二(2-羥基丙酸)二氫氧化二銨合鈦：水為（1-3）g：100ml，用垂直沉積法在基底上沉積得到聚苯乙烯微球和二氧化鈦前驅體的復合薄膜，然后在300-500℃煅燒后得到氮摻雜二氧化鈦反蛋白石薄膜。

將所用的石英玻璃基底進行預處理：將石英玻璃依次用乙醇、食人魚洗液、去離子水洗滌，最后置于空氣中干燥

用垂直沉積法在基底上沉積得到聚苯乙烯微球和二氧化鈦前驅體的復合薄膜時，優選沉積溫度控制在60℃，沉積時間為3-4d。

所得氮摻雜二氧化鈦反蛋白石薄膜，晶型為銳鈦礦，粒徑在2—10nm，粒徑均勻性好，結構排列均勻。

將制備的氮摻雜二氧化鈦反蛋白石薄膜光催化劑應用于光催化降解實驗，以可見光為光源，羅丹明B為目標降解物進行光催化降解處理，取得了較好的降解效果。