[發(fā)明專利]可見光催化活性N摻雜核殼狀二氧化鈦及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710706426.2
• 申請(qǐng)日: 2017-08-17
• 公開（公告）號(hào): CN107376975A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李國良;黎剛;李潔;廖春陽;江桂斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心
• 主分類號(hào): B01J27/24
• 分類號(hào): B01J27/24;B01J21/06;B01J37/08
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司11021
• 代理人: 牛海軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種制備N摻雜二氧化鈦光催化劑，特別是一種溶劑熱法在無模板的條件下一次性制備N摻雜的具有殼核狀特殊形貌結(jié)構(gòu)的二氧化鈦光催化劑的方法。

背景技術(shù)

二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N最具應(yīng)用前景的光催化劑，已被廣泛用于環(huán)境催化、儲(chǔ)能、殺菌、光電池、傳感器件等諸多領(lǐng)域。但由于其帶寬較大，只能吸收利用波長小于400nm的紫外光，而在波長大于400nm的光輻照下沒有催化效能，限制了對(duì)太陽光的吸收利用能力。因此，如何提高其對(duì)太陽光的吸收利用能力，使其在更大輻照光波長范圍內(nèi)發(fā)揮催化作用對(duì)其應(yīng)用推廣和對(duì)太陽光這種取之不盡的清潔能源的應(yīng)用具有非常重要的意義。

研究表明，通過對(duì)二氧化鈦進(jìn)行合理的修飾，通過半導(dǎo)體耦合、金屬和非金屬摻雜等技術(shù)手段，能夠?qū)⒍趸亴?duì)輻照光的吸收邊界拓展至可見光區(qū)，從而提高其光催化效能。但半導(dǎo)體耦合技術(shù)通常步驟繁瑣；而異質(zhì)物質(zhì)摻雜通常不穩(wěn)定，極易在后續(xù)熱處理中失去活性。因此發(fā)展穩(wěn)定有效的摻雜技術(shù)十分必要。

近年來，越來越多的研究表明納米材料的形貌特征能夠在很大程度上影響其理化性質(zhì)，進(jìn)而影響其應(yīng)用效能。低密度、高比表面積、豐富的孔隙率和三維層疊結(jié)構(gòu)被認(rèn)為能夠有效提高二氧化鈦對(duì)輻照光的吸收利用，從而提高其應(yīng)用效能。核殼狀結(jié)構(gòu)材料具有高比表面積、高物質(zhì)交換率，且其核殼狀結(jié)構(gòu)能夠通過對(duì)輻照光的多重反射/折射效應(yīng)而提高其對(duì)輻照光的吸收利用率。而目前制備核殼結(jié)構(gòu)納米材料通常是通過多重步驟多重模板疊加，進(jìn)而去除模板來獲得。程序復(fù)雜，且需要消耗性的模板材料。因此，開發(fā)簡單有效的制備方法十分重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種制備N摻雜的殼核結(jié)構(gòu)二氧化鈦的方法，該方法具有制備過程簡單、不用模板劑、不需要后續(xù)熱處理，通過一次性制備即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)N的摻雜和殼核結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，避免了程序和成本的浪費(fèi)，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供了一種N摻雜核殼狀二氧化鈦，其中所述N摻雜核殼狀二氧化鈦具有核殼狀結(jié)構(gòu)，所述核殼狀結(jié)構(gòu)包含由納米顆粒組成的實(shí)心球狀核和由超薄納米薄片組成的中空外層殼，并且其中所述中空外層殼內(nèi)表面與所述內(nèi)層球核外表面之間為300-500nm的空洞空間，并且N摻雜質(zhì)量百分比為1.5-2.0％。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述核殼狀結(jié)構(gòu)的整體粒徑為1.5-2.0μm，比表面積不小于250m²/g。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述殼的整體厚度約為150-250nm。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述納米顆粒的粒徑小于10nm，所述超薄亞組分薄片的厚度為0.4-4nm。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述N摻雜核殼狀二氧化鈦能夠吸收波長大于400nm的輻照光。

本發(fā)明還提供了一種制備根據(jù)本發(fā)明所述的N摻雜核殼狀二氧化鈦的方法，其中所述方法以溶劑熱法一次性制備，并且所述方法包括下列步驟：

A)將N元素供體加入至溶劑中并且攪拌均勻，隨后加入水并且繼續(xù)攪拌至混合均勻以形成溶液a；

B)在攪拌下，向所述溶液a中逐滴加入鈦酸四烷基酯，攪拌均勻以形成混合溶液，將所述混合溶液升溫至180℃以上的溫度并且在所述溫度下反應(yīng)24小時(shí)以上，結(jié)束并冷卻至室溫后，將產(chǎn)物分離并用醇淋洗，在100℃以下的溫度下真空干燥，生成N摻雜核殼狀二氧化鈦。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述N元素供體是二亞乙基三胺。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述溶劑是異丙醇。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述水是去離子水或蒸餾水。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，N元素供體:水:溶劑:鈦酸四烷基酯的體積比是0.03-0.04:0.1:45-50:1.3-1.7。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述鈦酸四烷基酯是鈦酸四異丙酯。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，其中步驟B)將所述混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，并且放置于馬弗爐中升溫。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，用于淋洗的所述醇是無水乙醇。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述方法不需要加入任何模板劑或材料，并且所述方法不需要后續(xù)熱處理。

本發(fā)明與已有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)是：制備試劑少、程序簡單易操作、不使用模板劑，不需經(jīng)過后續(xù)退火熱處理。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的產(chǎn)物的掃描電鏡圖(a,b)和透射電鏡圖(c,d)。

具體實(shí)施方式

溶劑熱法制備N摻雜殼核狀二氧化鈦的方法，具體實(shí)施方法如下：