[發明專利]一種分形結構氧化鈦的制備方法

有效

• 申請號: 201910079756.2
• 申請日: 2019-01-28
• 公開（公告）號: CN109701511B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 曾和平;馮光
• 申請（專利權）人: 廣東朗研科技有限公司;上海朗研光電科技有限公司;華東師范大學
• 主分類號: B01J21/06
• 分類號: B01J21/06;B01J35/04;B01J35/10;B01J37/34
• 代理公司: 東莞市華南專利商標事務所有限公司 44215
• 代理人: 趙超群

本發明涉及光催化材料合成技術領域，具體涉及一種分形結構氧化鈦的制備方法，以鈦源溶液、電解液、分子篩的混合液作為前驅體液，得到鈦源包覆的分子篩，然后在前驅體液中產生還原性極強的陰極輝光放電等離子體，等離子體還原處理和鈦源水解反應的協同作用，將分子篩表面的鈦源逐漸轉化為還原性氧化鈦，最終得到還原性氧化鈦包覆分子篩的復合材料，即分形結構氧化鈦。制備的分形結構氧化鈦同時具備分子篩比表面積大，以及還原性氧化鈦可見光響應強的特點。

技術領域

本發明涉及光催化材料合成技術領域，具體涉及一種分形結構氧化鈦的制備方法。

背景技術

二氧化鈦(TiO₂)作為一種最常見的半導體催化劑，因其價格低廉、無毒、化學性能穩定等特點，被廣泛運用到空氣凈化、污水處理等領域。二氧化鈦環境凈化的原理，即光催化反應，是二氧化鈦吸附環境中有機物，比如染料、甲醛等，在光照條件下，自身產生光生電子空穴對，并誘發產生高活性物質，比如超氧自由基、羥基自由基。這些高活性物質與氧化鈦吸附的有機物發生氧化還原反應，產物為CO₂、H₂O。目前二氧化鈦光催化效率主要受兩方面限制：首先是光響應范圍的限制。純二氧化鈦具有較寬的能隙(銳鈦礦3.2eV，金紅石3eV)，這導致了二氧化鈦只能吸收紫外光，而紫外光只占據太陽光7％的能量，因此如何增加二氧化鈦的可見光利用率，提高二氧化鈦的光催化性能得到了人們越來越多的關注。另一方面是光生載流子的分離效率的限制。二氧化鈦受光輻射產生的光生載流子，很大部分都在二氧化鈦晶格內部復合，只有少部分光生載流子遷移至表面并發生氧化還原反應，光生載流子的分離效率越高，光催化性能越好。因此從這兩部分出發可以有效解決目前二氧化鈦光催化效率低的問題。

對于提升氧化鈦光響應范圍的問題，近期出現大量報道關于合成灰色或者黑色的還原性氧化鈦TiO_2-x來增強其可見光的吸收，主要方法包括：(1)不同還原氣體(H₂、NH₃)條件下的TiO₂熱還原處理，(2)化學還原處理，(3)電化學還原等方法。這些方法具有共同之處：都需要將氧化鈦進行高溫還原處理。經過高溫還原處理，氧化鈦的顏色由白色變為灰色或者黑色，并形成獨特的殼-核結構，以及自摻雜的氧空位缺陷或表面三價鈦Ti³⁺，導致了合成的灰色/黑色氧化鈦禁帶寬度變窄，可見光響應增強，從而提升了氧化鈦的可見光催化性能，例如中國專利：申請號：201610651407.X；申請號：201510093753.6。然而上述方法制備的黑色/灰色氧化鈦，其表面Ti³⁺或氧空位在空氣中很不穩定，在空氣或水中很容易被氧化，因此極大降低氧化鈦的光催化活性。此外利用上述方法合成還原性氧化鈦光催化劑，通常需要復雜的合成步驟，苛刻的實驗條件，或昂貴的設備，這嚴重阻礙了黑色/灰色氧化鈦應用于實際工業生產。因此發明一種簡單、可行、高效的方法來合成性能穩定的灰色/黑色氧化鈦具有重要意義。

另外一方面，為了提升光生載流子分離效率，可以對氧化鈦實行摻雜處理，常見的有C、N、Si等摻雜，這些分布在氧化鈦表面的摻雜元素在光催化反應中扮演光生載流子復合中心，促進光生電子空穴對遷移至氧化鈦表面，從而降低了光生載流子的復合效率。其中分子篩負載型二氧化鈦材料受到人們廣泛關注，分子篩一般含有硅、鋁等元素，分子篩摻雜一方面促進了光生載流子的分離，另一方面，分子篩具有大比面積，可以有效吸附環境中的有機物，使得光催化反應更充分。但是傳統分子篩負載型二氧化鈦需要多步處理，其中包括：含鈦前驅體水解、調節前驅體PH、高溫處理結晶等，這就導致處理過程復雜，過多化學試劑造成環境污染，以及能源浪費的問題，比如中國專利CN 105381820 A，CN 105854926 A。

陰極輝光放電技術作為一種成熟的材料處理技術已經得到廣泛運用。陰極輝光放電在液體中產生等離子體，由于等離子體中存在大量高能電子，使得液體發生分解并產生氫氣氛圍，于是在液體中形成高溫還原環境，這有助于合成具有晶格缺陷的還原性納米材料，從而表現出獨特的物理、化學特性。

發明內容