[發明專利]一種光致變紅色氧化鈦及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201510030200.6
• 申請日: 2015-01-21
• 公開（公告）號: CN104609467A
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發明（設計）人: 李昱;許駿蒙;王洪恩;金俊;張倩;陳生友;毛成龍;陳麗華;吳旻;蘇寶連
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: C01G23/047
• 分類號: C01G23/047;B01J23/42
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

技術領域

本發明屬于化學合成方法類，具體涉及一種合成具有表面中性氧空位、可光致變色及具有高產氫速率的光致變紅色氧化鈦及其制備方法。

背景技術

由于能源危機與環境污染的日益嚴重，尋找新的可再生清潔能源已經是人類社會所面臨的重要問題。在眾多的清潔能源中，氫氣被認為是一種清潔可再生并且可以被利用的能源。因此如何高效而廉價的制取氫氣就自然成為當今人們首要研究的重點。當前，太陽能被認為是一種取之不盡、用之不竭的能源，因此利用太陽能來直接光解水制氫氣是解決環境問題的有效途徑之一。近年來在該領域上所進行的探索逐漸引起了人們的廣泛關注。而光解水制氫的關鍵是設計高效的可以進行工業化生產的光解水催化劑。

氧化鈦由于其在自然界中儲量豐富，化學性質穩定，對環境污染小，且在光照下具有產氫性能，因此是一種十分具有前景的光解水產氫的催化劑。但是自然環境下產生的氧化鈦由于其顆粒粒度較大，因而光解水產氫的性能很低，還不能用于工業化的生產，而且具有對光的吸收較少、導電性差和親水性不好等缺點。因此需要對氧化鈦進行一些改性與修飾來提高其產氫性能。在目前很多關于氧化鈦光解水產氫的催化劑改性研究當中，主要集中在以下三方面：對氧化鈦的晶面進行調控，促進電子和空穴的分離；對氧化鈦進行三價鈦的摻雜從而增強氧化鈦的導電性，減少電子與空穴在體相內傳輸復合的幾率；用非金屬或金屬等元素進行摻雜，增加氧化鈦在可見光范圍的吸收。

在針對氧化鈦的表面改性與合成中，晶面調控雖然可以促進光生電子在不同晶面上的收集來避免復合，但是卻無法避免氧化鈦本身導電性差、對可見光吸收范圍窄等缺點。而三價鈦的摻雜雖然可以增強對光的吸收與材料的導電性，但是由于目前三價鈦的摻雜主要是真空燒結或還原氣氛燒結法，使被燒過的材料親水性減弱，不利于發生界面催化反應。而且，這些對氧化鈦的改性方法合成工藝復雜，合成原料或副產物對環境危害較大，難以進行工業化大量生產等缺點。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術缺陷而提出一種不引入其它摻雜元素、免燒結對氧化鈦進行中性氧空位摻雜的合成方法，該方法合成簡便，無任何多余添加劑，且合成時間短，降低了生產成本、提高了合成效率。由該方法所得產物純度高、產量大，光催化活性高且穩定性好。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：光致變紅色氧化鈦的制備方法，包括有以下步驟：

(1)配置醇/酸溶液體系：取一定量的醇溶液，向醇溶液中滴加酸溶液，在25℃水浴下攪拌至均勻無色透明的溶液，所述的酸溶液與醇溶液體積比為0.5-2：1；

(2)向所得溶液中滴加入鈦源后攪拌至溶液變為透明澄清溶液；

(3)將透明澄清溶液轉移入微波水熱反應釜中進行微波水熱反應；

(4)將上述反應后所得懸濁液進行清洗烘干后便得到光致變紅色氧化鈦納米晶。

按上述方案，所述的醇為乙二醇、二乙二醇、聚乙二醇-200和聚乙二醇-400中的任意一種或它們的混合，所述的酸為濃鹽酸。

按上述方案，所述的鈦源為鈦酸異丙酯，鈦酸正丁酯，四氯化鈦和硫酸氧鈦中的任意一種或它們的混合。

按上述方案，步驟(3)的反應溫度為150-220℃，反應時間為15-60分鐘。

按上述方案，所述的鈦源濃度為0.25-0.75mol/L。

按上述方案，所述的鈦源濃度為小于0.25mol/L。

按上述方案，所述的氧化鈦為由5-20nm直徑可調節的氧化鈦納米棒自組裝而成的尺寸為0.1-10μm的球，所述的氧化鈦納米棒為金紅石型或金紅石/銳鈦礦混晶型氧化鈦。

按上述方案，所述的氧化鈦為單分散的納米顆粒銳鈦礦型氧化鈦。

本發明還提出了上述任一項技術方案所得光致變紅色氧化鈦。

所述的光致變紅色氧化鈦作為光解水產氫的催化劑的應用。

按上述方案，光解水產氫時的摻鉑量為0.1％wt-1％wt。

本發明通過構筑一種由醇/酸溶液形成的富含溶劑化電子的質子性溶劑，來對反應生成的氧化鈦晶體表面注入電子，從而在氧化鈦表面產生中性氧空位。并且通過改變鈦源以及鈦源的濃度，和改變醇/酸溶劑的種類，來控制鈦源的水解速度以及氧化鈦晶體生長過程中的熱力學平衡狀態，從而達到合成出不同晶型、不同形貌的具有光至變紅色性能的氧化鈦的目的。

本發明與現有技術相比，本發明的有益效果是：