[發(fā)明專(zhuān)利]N-TiO2/C和N-TiO2及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410266520.7
• 申請(qǐng)日: 2014-06-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104028292A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王智宇;王佳;錢(qián)國(guó)棟;樊先平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B01J27/24
• 分類(lèi)號(hào): B01J27/24;B01J37/08
• 代理公司: 杭州求是專(zhuān)利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種二氧化鈦納米材料的制備方法，尤其是一種氮摻雜氧化鈦/碳的納米復(fù)合物（N-TiO₂/C）或氮摻雜氧化鈦（N-TiO₂）的制備方法，屬于化學(xué)材料的制備領(lǐng)域，在光催化降解污染物方面有著非常重要的用途。

背景技術(shù)

由于具有成本低，無(wú)毒，化學(xué)合成方便，熱穩(wěn)定性好等特性，氧化鈦是一種非常常見(jiàn)的光催化劑。氧化鈦有三種晶型，金紅石，銳鈦礦和板鈦礦。其中，銳鈦礦是最常用的光催化劑。光催化降解有機(jī)物的原理是，光照條件下，入射光子中能量高于禁帶寬度的光子被價(jià)帶電子吸收，然后電子躍遷到導(dǎo)帶。光生電子從氧化鈦的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到染料，染料發(fā)生氧化反應(yīng)，進(jìn)而被氧化。銳鈦礦的禁帶寬度為3.2eV，只有波長(zhǎng)小于380nm的紫外光能被氧化鈦吸收利用，而紫外光的能量?jī)H占太陽(yáng)自然光譜的7%，因此，普通合成方法獲得的銳鈦礦對(duì)光的利用效率非常低，有必要提高銳鈦礦對(duì)可見(jiàn)光波段的響應(yīng)。

為提高銳鈦礦氧化鈦對(duì)整個(gè)自然光波段的響應(yīng)，可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，一是形貌調(diào)控，二是化學(xué)調(diào)控。形貌調(diào)控主要是通過(guò)增加氧化鈦的比表面積，增加孔隙率來(lái)增加氧化鈦對(duì)染料的吸附或者暴露特定晶面，如[100]或者[101]等活躍面來(lái)促進(jìn)氧化鈦對(duì)有機(jī)染料（例如：亞甲基藍(lán)，亞甲基橙，品紅等）的光解。形貌調(diào)控不涉及改變氧化鈦的禁帶寬度，因此對(duì)光吸收的增強(qiáng)影響不大。而另一類(lèi)方法，化學(xué)調(diào)控，則主要是通過(guò)摻雜來(lái)改變氧化鈦的禁帶寬度從而達(dá)到對(duì)可見(jiàn)光的吸收。摻雜是常用的方法，包括摻雜金屬和非金屬。從應(yīng)用的角度講，金屬成本比較高，所以對(duì)非金屬元素C，H，S，N的摻雜研究比較多。但是，在對(duì)氧化鈦進(jìn)行C，H，N摻雜時(shí)，最常用的方法是在特殊氣氛下進(jìn)行熱處理。比如，氮摻雜氧化鈦一般是對(duì)氧化鈦進(jìn)行氮?dú)鈿夥障赂邷責(zé)崽幚?，而氫摻雜氧化鈦是在氫氣保護(hù)下熱處理氧化鈦。在特殊氣氛下進(jìn)行的熱處理除了對(duì)實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)條件要求高以外，還存在安全問(wèn)題，整個(gè)過(guò)程生產(chǎn)成本也大大增加。因此，在相對(duì)低溫，以及不需特殊氣氛，比如空氣條件下進(jìn)行摻雜成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，單純氮摻雜氧化鈦，雖然使氧化鈦禁帶寬度變窄，拓寬了其光譜響應(yīng)范圍，但是摻雜引入的空穴無(wú)意中為載流子提供了復(fù)合中心，導(dǎo)致光生載流子利用效率降低。為解決這一問(wèn)題，可以對(duì)氮摻雜的氧化鈦進(jìn)行改性。比如，將氮摻雜氧化鈦與碳進(jìn)行復(fù)合。碳材料由于其強(qiáng)大的電子存儲(chǔ)能力和金屬導(dǎo)帶的特性可以接受光生電子。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米材料包覆氧化鈦后，由于碳和氧化鈦之間的費(fèi)米能級(jí)差，導(dǎo)致電子向碳納米材料方向發(fā)生富集，因此促進(jìn)了光生空穴-電子的分離，氧化鈦的光催化效率得到了改善。但是，目前對(duì)于氮摻雜氧化鈦與碳的復(fù)合研究相對(duì)較少，而且已有的制備方法反應(yīng)條件并不溫和，且對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求比較高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種N-TiO₂?/C和N-TiO₂及其制備方法。利用不完全水熱反應(yīng)制備前驅(qū)物，后續(xù)熱處理過(guò)程控制TiO₂的摻雜改性，不同溫度獲得不同化學(xué)組成的TiO₂產(chǎn)物，即N-TiO₂?/C或者N-TiO₂。

氮摻雜氧化鈦或其與碳的納米復(fù)合物的制備方法包括如下步驟：

1）將四甲基氫氧化銨溶液加入到乙二醇中，四甲基氫氧化銨溶液與乙二醇的體積比為1:3，二者攪拌均勻后加入異丙醇鈦，異丙醇鈦溶液加入的體積為四甲基氫氧化胺溶液的1/10，室溫下繼續(xù)攪拌至獲得均勻溶液；

2）將步驟1）中獲得的均勻溶液移入到聚四氟乙烯水熱釜內(nèi)襯中，用不銹鋼外套密封，然后在200℃下水熱反應(yīng)8h，自然冷卻至室溫；

3）利用丙酮、酒精和去離子水分別離心清洗步驟2）所獲得的產(chǎn)物，并在空氣環(huán)境中烘干；

4）對(duì)步驟3）獲得的干燥產(chǎn)物進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為250~550℃，熱處理時(shí)間為2h，熱處理氛圍為空氣氣氛，得到氮摻雜氧化鈦或氮摻雜氧化鈦/碳的納米復(fù)合物。

所述的四甲基氫氧化銨溶液為10wt%四甲基氫氧化銨水溶液。

所述的熱處理溫度為250~400℃時(shí)，獲得氮摻雜氧化鈦/碳的納米復(fù)合物；熱處理溫度為400~550℃時(shí)，獲得氮摻雜氧化鈦。

所述制備方法制備的氮摻雜氧化鈦/碳的納米復(fù)合物氮含量為2.23~3.32%,碳含量為19~23%,比表面積為55~80m²/g,所述氮摻雜氧化鈦/碳的納米復(fù)合物中氧化鈦為銳鈦礦晶型。