[發(fā)明專(zhuān)利]一種暴露銳鈦礦二氧化鈦高能面的異質(zhì)結(jié)納米管陣列薄膜光催化材料及制備方法和應(yīng)用

無(wú)效

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• 申請(qǐng)日: 2014-03-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103861576A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡文麗;于濤;黃娟茹;石婷;譚欣
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B01J23/02
• 分類(lèi)號(hào): B01J23/02;C02F1/461;C02F1/30;C02F103/30
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專(zhuān)利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 王秀奎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光催化技術(shù)領(lǐng)域，更加具體地說(shuō)，涉及新型納米光催化半導(dǎo)體復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，尤其涉及一種暴露銳鈦礦TiO₂（004）高能面的TiO₂/SrTiO₃異質(zhì)結(jié)納米管陣列光催化材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

納米TiO₂由于其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、安全無(wú)毒、高氧化還原能力、成本低等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的重視。近年來(lái)以TiO₂納米顆粒或薄膜或與其他半導(dǎo)體復(fù)合等形式材料被廣泛應(yīng)用在染料敏化太陽(yáng)能電池、光催化、光敏器件和傳感器等領(lǐng)域。納米TiO₂晶體類(lèi)型、表面形態(tài)、微粒尺寸、孔的大小以等因素對(duì)其性能都有很大影響。TiO₂通常以{101}面的形式存在，而非高活性的{001}面，光生電子空穴對(duì)復(fù)合率高，從而導(dǎo)致量子效率低而抑制了光催化活性。此外，TiO₂的禁帶寬度較大（3.2eV），僅能利用太陽(yáng)光中的紫外光（僅占3-5%），極大地限制了TiO2的實(shí)際應(yīng)用。因此，通過(guò)貴金屬沉積、離子摻雜、染料敏化及半導(dǎo)體復(fù)合等方法對(duì)TiO₂光催化劑進(jìn)行改性，不僅可以使光生載流子在不同能級(jí)半導(dǎo)體之間轉(zhuǎn)移，而且還能有效分離載流子，延長(zhǎng)載流子壽命，增加量子效率，提高光催化活性。TiO₂納米管結(jié)構(gòu)特殊、排列整齊、高度有序，與其他形態(tài)的納米TiO₂材料相比，具有更大的比表面積和更強(qiáng)的吸附能力，易于實(shí)現(xiàn)光生電荷的有效傳輸，減少電荷與空穴的復(fù)合，增大光電轉(zhuǎn)化效率。目前，TiO₂納米管的制備方法有模板法、溶膠凝膠法、水熱合成法、陽(yáng)極氧化法等，其中，陽(yáng)極氧化法較其他方法擁有操作簡(jiǎn)單、成本低廉、高比表面積、較高的長(zhǎng)徑、可控性好、不易脫落等優(yōu)點(diǎn)。SrTiO₃為典型的立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，空間群為Pm3m。因其耐光腐蝕與化學(xué)腐蝕，性能較穩(wěn)定，所以被廣泛應(yīng)用于電光器件、光催化劑、微型電容器和鐵電存儲(chǔ)器等方面。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，克服現(xiàn)有納米TiO₂粉體材料易凝聚、易中毒失活和難分離回收，特別是TiO₂光催化納米材料太陽(yáng)光響應(yīng)范圍窄等缺陷，即提高其在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的量子產(chǎn)率、有效抑制光生電子空穴的復(fù)合率的同時(shí)拓寬其對(duì)太陽(yáng)光譜的利用范圍，且制備所需能耗低和成本低，操作簡(jiǎn)單。

本發(fā)明的技術(shù)目的通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種暴露銳鈦礦二氧化鈦高能面的異質(zhì)結(jié)納米管陣列薄膜光催化材料及制備方法，所述光催化材料由銳鈦礦型二氧化鈦和SrTiO₃組成，所述銳鈦礦型二氧化鈦暴露并取向生長(zhǎng)（004）高能晶面，按照下述步驟進(jìn)行制備：

步驟1，利用陽(yáng)極氧化法制備TiO₂納米管材料

在步驟1的陽(yáng)極氧化制備過(guò)程中，選用Ti片和Pt電極，由乙二醇（ethyleneglycol，EG）、NH₄F和三蒸水組成的反應(yīng)電解質(zhì)溶液，其中三蒸水體積為乙二醇體積的3％，NH₄F的質(zhì)量為乙二醇質(zhì)量的0.5％，以穩(wěn)壓穩(wěn)流電源提供直流電源60V，并加以磁力攪拌進(jìn)行陽(yáng)極氧化。

在進(jìn)行陽(yáng)極氧化時(shí)，可選擇一次性氧化2－3h，也可選擇二次氧化，即首先陽(yáng)極氧化30min后，取出樣品用去離子水溶液超聲去除氧化膜，并在電熱恒溫鼓風(fēng)機(jī)中于120℃下干燥，備用；二次氧化反應(yīng)時(shí)間為2h，，反應(yīng)結(jié)束后用無(wú)水乙醇和去離子水清洗Ti片，并在電熱恒溫鼓風(fēng)機(jī)中于120℃下干燥，保存，即制備好TiO₂納米管材料。

使用的Ti片在進(jìn)行使用時(shí)，首先進(jìn)行預(yù)處理：將Ti箔（純度99.7%，厚度為0.5mm）裁剪成1×4cm的尺寸，然后先用洗潔精清洗裁剪后的Ti片，再用蒸餾水充分的清洗Ti片的表面；接著將該Ti片先后放入異丙醇、無(wú)水乙醇及三蒸水中各超聲清洗15min，最后將Ti片取出并放入鼓風(fēng)干燥箱中于120℃下干燥，備用。