[發明專利]一種氮氟共摻雜的缺氧型氧化鈦納米纖維的制備方法

有效

• 申請號: 202110725592.3
• 申請日: 2021-06-29
• 公開（公告）號: CN113289668B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 陳燕;符秀麗;彭志堅
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（北京）
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/02;B01J35/06;C01G23/053;C02F1/30
• 代理公司: 北京億騰知識產權代理事務所(普通合伙) 11309
• 代理人: 陳霽

本發明涉及一種氮氟共摻雜的缺氧型氧化鈦納米纖維的制備方法，屬于光催化材料制備及其應用技術領域。本發明提出的這種材料由氮氟共摻雜的、缺氧型的納米氧化鈦納米纖維構成，可直接用于模擬太陽光下光催化降解污染物，且材料的光吸收能力強，比表面積大，活性位點暴露充分，光催化活性高，循環穩定性好，便于回收利用，對人體無毒無害。所述方法以聚丙烯腈、鈦酸四丁酯和三氟乙酸為原料，首先通過靜電紡絲技術得到混合納米纖維，再在真空管式爐中在惰性氣氛中進行高溫熱處理，最終得到所述氮、氟共摻雜的缺氧型氧化鈦納米纖維。該方法產品材料組成和形貌可控，產量大、收率高，原材料易得，生產過程安全、簡單，適合大規模生產。

技術領域

本發明涉及一種氮氟共摻雜的缺氧型氧化鈦納米纖維的制備方法，屬于光催化材料制備及其應用技術領域。

背景技術

隨著現代工業社會的快速發展，人類對于能源與資源的需求不斷增加。而且伴隨著化石能源的過渡開采和使用，環境污染也日趨嚴重。面對日益嚴峻的環境和能源問題，許多科學家致力于開發可持續發展的綠色清潔能源來代替化石能源，以及探索高效、低能耗、無二次污染的污染物消除措施。

20世紀80年代初，半導體光催化劑逐漸進入催化科學學者們的視線并引發廣泛關注。半導體具有特殊的能帶結構，半導體中的最高占有分子軌道(HOMO)相互作用形成了低能價帶(VB)，而最低未占有分子軌道(LUMO)相互作用形成高能導帶(CB)，兩者之間存在著量子化、不連續的帶隙稱為禁帶。當有光照射到半導體時，若光子的能量恰好等于或者高于半導體催化劑的帶隙能(Eg)時，處于低能價帶的電子就可以吸收該光子的能量，從而產生光電子(e_CB^-)，發生躍遷，進入高能導帶的軌道中；同時，由于價帶失去了電子，所以形成了空穴(h_VB⁺)。光電子和空穴分別具有強的還原性和氧化性，能夠參與氧化-還原反應降解污染物。與物理吸附沉降、化學氧化分解、生物降解傳統污染物處理技術相比較，光催化氧化-還原技術污染物降解能力強、無二次污染、能源來源豐富(如太陽能)，是一種非常理想的污染物處理技術。因此，半導體光催化劑的制備與應用有望利用太陽能來幫助緩解環境污染問題。

光催化劑是光催化氧化-還原技術的關鍵所在，開發性能優異的光催化劑是該技術應用發展的前提。在眾多半導體光催化材料中，二氧化鈦(TiO₂)憑借其成本低、性能穩定和毒性小等諸多優點而被廣泛研究和應用。然而，與大多數半導體一樣，TiO₂是一種寬帶隙半導體，禁帶寬度約為3.2eV，只能吸收利用波長小于380nm的紫外光(僅占太陽光的約5％)，對太陽光的利用率很低。此外，由于光生電子和空穴的快速復合，導致其量子效率低，以及材料的小尺寸效應容易導致其團聚失活。針對以上問題，科學家們探索出了包括離子摻雜、構造氧缺陷、半導體復合形成異質結構、表面貴金屬沉積等解決方案。

例如，通過離子摻雜能使TiO₂晶體產生離子缺陷，能成為光生載流子的捕獲阱，延長其壽命；同時離子尺寸的差異會使晶體結構發生一定的畸變，晶體不對稱性增加，提高了光生電子-空穴分離效果；此外，摻雜離子的能級能夠影響TiO₂的能帶結構，以及改變TiO₂的晶粒尺寸，將其光響應范圍拓展至可見光區，催化活性得以提高。在二氧化鈦中構造氧缺陷而獲得的缺氧型氧化鈦(TiO_2-δ)會在可見光區產生吸收，例如通過H₂處理后TiO₂的顏色從白色變為黑色，表明氧空位的存在會顯著影響TiO₂的帶隙，TiO_2-δ比TiO₂具有更高的光吸收能力。半導體異質復合結構可以在界面處產生內建電場，提高半導體的導電性。半導體表面貴金屬沉積，可以在半導體表面產生特殊的表面等離子體激元，提高半導體的光催化性能。此外，納米纖維具有較大的比表面積和長徑比，表面能和活性高，具有納米材料的一些特殊性質，如尺寸效應和量子隧穿效應等。