[發(fā)明專利]一種三元非金屬元素共摻雜TiO2納米管的制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310655473.0
• 申請(qǐng)日: 2013-12-05
• 公開（公告）號(hào): CN103611547A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 安會(huì)琴
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J27/02
• 分類號(hào): B01J27/02;B82Y30/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種三元非金屬元素共摻雜提高二氧化鈦光催化劑光催化活性的方法，本發(fā)明還涉及該方法的步驟及其特點(diǎn)。

背景技術(shù)

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益受到重視。水污染是目前亟待解決的一大難題。對(duì)污水的處理方法很多，其中利用催化劑光催化分解有機(jī)污染物，是一種很有發(fā)展前途的新型水處理技術(shù)。在眾多催化反應(yīng)所用的半導(dǎo)體催化劑中，TiO₂以其無毒、催化活性高、穩(wěn)定性好和抗氧化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。與普通TiO₂納米粉體相比，由TiO₂轉(zhuǎn)化而來的鈦氧納米管具有特殊的管狀結(jié)構(gòu)，高的比表面積和更強(qiáng)的吸附能力，更適合做催化劑或催化劑載體。然而由于TiO₂光催化劑的帶隙較寬，只能被波長較短的紫外線激發(fā)，故使得太陽能的利用率很低；而且，由于光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)易復(fù)合，導(dǎo)致其光量子效率很低。這些缺點(diǎn)限制了TiO₂的實(shí)際應(yīng)用，因此提高TiO₂的光響應(yīng)范圍及量子產(chǎn)率成為TiO₂改性的主要工作。大量研究發(fā)現(xiàn)，貴金屬沉積、半導(dǎo)體耦合、金屬離子或非金屬離子摻雜是提高其光催化性能的有效辦法。自從2001年R.Asahi等人首次用非金屬N摻入TiO₂并獲得了優(yōu)異的可見光活性和超親水性能后，掀起了非金屬元素?fù)诫sTiO₂的熱潮，先后有C、N、F、P、S、B等一系列非金屬元素?fù)诫s的納米TiO₂被合成。與O2p軌道相比，N、C、S和P等非金屬離子具有能量相對(duì)較高的軌道，用這些原子來取代TiO₂中的部分氧原子，非金屬原子的2p軌道和O的2p軌道電子云雜化使帶隙變窄，TiO₂的吸收帶紅移，從而產(chǎn)生對(duì)可見光的吸收。摻雜后的催化劑對(duì)光的響應(yīng)范圍擴(kuò)展至可見光區(qū)，能直接利用可見太陽光催化降解環(huán)境有機(jī)污染物。

然而單一的非金屬元素?fù)诫s容易引起電荷的不平衡，由此產(chǎn)生的缺陷可以成為電子空穴對(duì)的湮滅中心，降低其光催化性能，因此國內(nèi)外的研究者嘗試通過非金屬元素多元共摻雜，在拓展光響應(yīng)范圍的同時(shí)，提高其光催化活性。近幾年的研究大多集中在對(duì)TiO₂進(jìn)行兩種元素共摻雜，如，氮-氟、碳-硫、氮-硫和碳-氮共摻雜的TiO₂粉末，這些共摻雜后的催化劑均具有不同程度的可見光響應(yīng)活性，表現(xiàn)出更佳的光催化活性。然而，三種非金屬元素共摻雜的TiO₂納米管并不多見。基于此，本發(fā)明擬以水熱法合成的TiO₂納米管為基礎(chǔ)，采用溶膠凝膠和化學(xué)錨定相結(jié)合的方法制備N、C、S三元素共摻的納米管催化劑。焙燒后非金屬元素進(jìn)入TiO₂晶格。這些非金屬元素的p軌道與價(jià)帶氧的p軌道較迭，導(dǎo)致TiO₂的禁帶寬度Eg變窄。可見光活性增強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所提供的技術(shù)方案是：

以水熱法合成的摻氮鈦酸鹽納米管為載體，借助于水熱法合成的鈦酸鹽納米管表面大量的-ONa鍵，通過其與二硫化碳形成黃原酸基化學(xué)反應(yīng)得到二硫化碳修飾的摻氮鈦酸鹽納米管，離心，去掉母液，用蒸餾水反復(fù)洗滌后，再用乙醇洗滌兩次，之后用稀溶液調(diào)至酸性后攪拌12h，離心，室溫真空干燥，并于氮?dú)鈿夥障虏煌瑴囟缺簾?h。所得樣品即為氮、碳、氮共摻雜的TiO₂光催化劑。

其中所述摻氮鈦酸鹽納米管的制備采用溶膠凝膠與水熱合成相結(jié)合的方法，其制備方法為：量取定量鈦酸丁酯與相應(yīng)量無水乙醇中，攪拌，記為A液；量取定量蒸餾水、尿素、冰醋酸、無水乙醇，混合攪拌，記為B液。將A液緩慢滴加至B液中，攪拌數(shù)小時(shí)至形成溶膠，陳化，干燥，500℃焙燒，得到摻氮TiO₂粉末。將1.6g摻氮TiO₂粉末與10mol／LNaOH溶液密封在70ml聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，攪拌條件下于150℃反應(yīng)12h。離心，得到的絮狀物為摻氮鈦酸鹽納米管。

摻氮鈦酸鹽納米管與二硫化碳形成黃原酸基的化學(xué)反應(yīng)為：稱取定量摻氮鈦酸鹽納米管，加入過量的CS₂，室溫?cái)嚢?2小時(shí)。顏色由無色逐漸變成橙黃色。所得樣品即為二硫化碳修飾的鈦酸鹽納米管。