[發明專利]一種過渡金屬原位摻雜TiO2

有效

• 申請號: 202110410323.8
• 申請日: 2021-04-16
• 公開（公告）號: CN113181914B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 張鵬;楊曉燕;李靜茹;王佳任;尹良科
• 申請（專利權）人: 天津工業大學;商丘師范學院
• 主分類號: B01J23/72
• 分類號: B01J23/72;B01J21/06;B01J23/06;B01J23/50;B01J23/745;B01J23/75;B01J23/10;B01J23/755;B01J23/44;B01J23/52;B01J23/34;B01J23/42;B01J23/46;B01J23
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司 12207
• 代理人: 趙敬

本發明涉及一種過渡金屬原位摻雜TiOsubgt;2/subgt;催化劑、制備方法及應用。以Hsubgt;2/subgt;Tisubgt;3/subgt;Osubgt;7/subgt;為原料，在過渡金屬陽離子水溶液中進行離子交換得到Msubgt;x/subgt;Hsubgt;2?/subgt;subgt;x/subgt;Tisubgt;3/subgt;Osubgt;7/subgt;前驅體，經過高溫煅燒使Hsubgt;2?x/subgt;Tisubgt;3/subgt;Osubgt;7/subgt;轉變為TiOsubgt;2/subgt;基體，而交換的Msupgt;n+/supgt;則以過渡金屬單原子或多原子的形式原位摻雜入TiOsubgt;2/subgt;的晶格中，制得原子層面的過渡金屬原子原位摻雜的M?TiOsubgt;2/subgt;材料。該制備方法工藝路線簡單、操作簡便，摻雜離子分散度高，均勻性好，所需設備簡單、易于放大生產，制得的過渡金屬原位摻雜的M?TiOsubgt;2/subgt;催化劑材料在水處理、催化氧化、儲能、傳感等領域展現出較好的應用前景。

技術領域

本發明屬于催化劑制備技術領域，具體涉及一種過渡金屬原位摻雜TiO₂催化劑、制備方法及應用。

背景技術

TiO₂材料是一種常見的工業原料，不僅價格低廉，無毒無污染，耐高溫，耐酸堿，化學性質穩定，并且與金屬作用力強，是一種理想的催化劑載體材料。

此外，TiO₂材料還被發現具有良好的光電化學特性，可以作為光催化劑在多個化學反應中表現出良好的催化活性。但是純的TiO₂光催化劑還存在兩大缺點，使其至今未能真正應用于工業光催化生產中：(1)TiO₂的本征禁帶寬度太大(3.2eV)，使其只能被紫外光激發，不能響應可見光。而在太陽光中的紫外線成分僅占3-5％，所以對太陽光的吸收效率太低成為制約TiO₂光催化應用的一大難點；(2)單純的TiO₂材料的熒光效率較低，表面被光照所激發的光生電子(e^-)會在極短的時間內與光生空穴(h⁺)重新結合，將能量釋放出去，導致單純的TiO₂材料的光催化活性大大受限。研究顯示在TiO₂晶體結構中引入金屬原子，會在TiO₂半導體的帶隙中創造新的過渡能級。過渡能級的引入一方面使得TiO₂的禁帶寬度變窄，可以被可見光激發。另一方面過渡能級可以有效轉移光生電子或空穴，加快光生載流子的分離，提高TiO₂的量子效率和光催化活性。所以制備金屬摻雜的TiO₂光催化劑，是實現TiO₂材料在工業光催化應用的理想解決方案。

目前有許多種TiO₂負載的金屬或金屬氧化物催化劑得以開發，并成功應用于多個催化反應中，催化劑的催化活性與其所負載的金屬或金屬氧化物的尺寸、分散度和載量等性質有很大影響。研究發現將金屬或金屬氧化物的顆粒尺寸減小到納米尺度甚至是原子水平，可以極大提升催化劑的利用效率、催化效率和經濟性，所以如何制備具有原子水平的金屬摻雜/負載的TiO₂催化劑，是實現這類催化劑工業生產的關鍵。

目前有許多的實驗方案被提出，以制備金屬摻雜的M-TiO₂催化劑，但是現有的方法卻不同程度地存在以下缺點：(1)實驗方案中涉及危險性較大的強酸(如濃硫酸、濃硝酸、氫氟酸等)或昂貴的試劑。(2)使用了激烈的制備方法(如等離子體轟擊，激光法等)，不適合大規模生產，并且所摻入的金屬原子分布不均勻，對M-TiO₂催化劑的整體性能影響較大。(3)許多制得的M-TiO₂催化劑中金屬元素的種類、摻雜量、存在形式等多個關鍵參數調控空間小，大大限制了其催化性能的調變和應用范圍。

發明內容