[發(fā)明專利]一種氮-鐵共摻雜的納米二氧化鈦光催化劑的制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410336800.0
• 申請(qǐng)日: 2014-07-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104107706A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉艷華;張宇飛;張廉奉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J27/24
• 分類號(hào): B01J27/24;B01D53/86;B01D53/58
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 陸萬(wàn)壽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于催化劑制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種納米二氧化鈦光催化劑，尤其是一種氮-鐵共摻雜的納米二氧化鈦光催化劑的制備方法。

背景技術(shù)

自從1972年日本學(xué)者Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)二氧化鈦單晶能分解水以來(lái)，光催化反應(yīng)在空氣凈化、裂解水制氫氣和太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域的研究獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。但作為無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料，二氧化鈦較高的禁帶寬度Eg(銳鈦礦型的二氧化鈦Eg＝3.2eV)使得只有波長(zhǎng)較小的紫外光(波長(zhǎng)小于400nm)才能激發(fā)它的光催化活性，而紫外光只占到了太陽(yáng)輻射的3％～5％，此外光生空穴和電子高的復(fù)合率使得二氧化鈦的光催化效率較低。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了二氧化鈦光催化技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。如何拓展二氧化鈦的光譜響應(yīng)范圍和提高其光催化效率一直是光催化技術(shù)領(lǐng)域的難題和熱點(diǎn)。

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)銳鈦礦型二氧化鈦進(jìn)行氮、碳、硫等非金屬離子的單元素?fù)诫s可以減小其禁帶寬度，擴(kuò)展其光譜響應(yīng)范圍；而對(duì)銳鈦礦型二氧化鈦進(jìn)行鐵、鉻等過(guò)渡金屬離子的單元素?fù)诫s在一定程度上可以降低其光生空穴和電子對(duì)的復(fù)合率，提高光催化效率。但兩類單元素?fù)诫s均表現(xiàn)出一定程度的缺陷。近來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)銳鈦礦型二氧化鈦進(jìn)行非金屬離子與過(guò)渡金屬離子的共摻雜在擴(kuò)展其光譜響應(yīng)范圍的同時(shí)，保證了較高的光催化效率。例如中國(guó)發(fā)明專利CN101475214公開(kāi)了一種摻鐵摻氮納米二氧化鈦粉體的制備方法，利用紅外光譜儀分析得到摻鐵摻氮可以拓展納米二氧化鈦的可見(jiàn)光響應(yīng)范圍，但是鐵鹽的摻雜選擇在水溶膠老化并加水稀釋后，氮鹽的摻雜選擇在生成摻鐵的納米二氧化鈦之后，這樣不能使鐵和氮很好地進(jìn)入到納米二氧化鈦的晶格之中，嚴(yán)重影響到光催化效率，制備工藝設(shè)計(jì)存在不足。另一中國(guó)發(fā)明專CN102285686公開(kāi)了一種快速溶膠凝膠制備鐵-氮共摻雜介孔納米二氧化鈦的方法，降解的對(duì)象選取的是甲基橙溶液。該方法的工藝時(shí)間為2h左右，大大減小了溶膠凝膠化時(shí)間，這樣同樣很不利于鐵和氮進(jìn)入到納米二氧化鈦的晶格中，降低光催化效率，工藝設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步改善。同時(shí)，F(xiàn)e³⁺成為捕獲光生電子的中心這一論斷，并不能由XRD和X射線光電子能譜圖得到。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種氮-鐵共摻雜的納米二氧化鈦光催化劑的制備方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

這種氮-鐵共摻雜的納米二氧化鈦光催化劑的制備方法，包括以下步驟：

(A)在室溫下將10～30ml鈦酸四丁酯和20～40ml無(wú)水乙醇混合溶液在磁力攪拌下攪拌10～40min，得到淡黃色溶液A；

(B)將15～35ml無(wú)水乙醇、5～15ml蒸餾水、15～30ml冰醋酸和氮源與鐵源進(jìn)行充分混合，得到溶液B；

(C)將溶液B緩慢加入到溶液A中，并繼續(xù)攪拌10～40min后得均勻透明的溶膠；

(D)將溶膠陳化10～40h得到膠體狀的凝膠；

(F)將步驟(D)得到的凝膠置于50～200℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行干燥，直到溶劑完全揮發(fā)；

(G)將干燥后的凝膠進(jìn)行充分研磨成粉體；

(H)將研磨后的粉體置于箱式電阻爐中，煅燒1～4h，冷卻后即得到氮-鐵共摻雜的納米二氧化鈦光催化劑。

進(jìn)一步，以上步驟(A)中鈦酸四丁酯為17ml，無(wú)水乙醇為30ml，攪拌時(shí)間約30min。

進(jìn)一步，以上步驟(B)中無(wú)水乙醇為28.32ml，蒸餾水為7.2ml，冰醋酸為20ml；氮源為尿素，氮含量分別控制在該催化劑樣品的1at％、4at％、7at％；鐵源為硫酸鐵，鐵含量分別控制在該催化劑樣品的1at％、5at％、9at％。

進(jìn)一步，以上步驟(C)中攪拌時(shí)間為30min。

進(jìn)一步，以上步驟(D)中溶膠的陳化時(shí)間為24h。

進(jìn)一步，以上步驟(F)中干燥溫度為100℃。

進(jìn)一步，以上步驟(H)中煅燒時(shí)間為2.5h，煅燒溫度分別選取400℃、500℃、600℃。

進(jìn)一步，將以上步驟(H)制備好的氮-鐵共摻雜的納米二氧化鈦光催化劑放入到

進(jìn)一步，將步驟(H)制備好的氮-鐵共摻雜的納米二氧化鈦光催化劑放入到平板式光催化反應(yīng)系統(tǒng)中，通入氨氣，在白熾燈下對(duì)氨氣進(jìn)行可見(jiàn)光降解；利用傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)氨氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，收集50min的氨氣數(shù)據(jù)，得到氨氣的降解曲線；通過(guò)第一性原理的計(jì)算得到氮-鐵共摻雜的納米二氧化鈦光催化劑的電子態(tài)密度圖，對(duì)其可見(jiàn)光光催化性能進(jìn)行表征。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：