CN103657622A

CN103657622A - 高效二氧化钛光催化剂及其制备和应用

Info

Publication number: CN103657622A
Application number: CN201310639547.1A
Authority: CN
Inventors: 林琳; 赵斌; 何丹农
Original assignee: Shanghai National Engineering Research Center for Nanotechnology Co Ltd
Current assignee: Shanghai National Engineering Research Center for Nanotechnology Co Ltd
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开一种高效二氧化钛光催化剂的制备方法及应用。量取氨水，在搅拌中，加入电解质；将钛酸四丁酯滴入上述溶液中，在钛酸酯快速水解的同时剧烈搅拌使之混合均匀；将混合均匀的悬浮液放入聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在120～180℃下水热反应12～72小时；反应结束后将沉淀产物用蒸馏水、无水乙醇洗涤，然后在60～80℃下干燥6～24小时，即得到具有高效催化活性的二氧化钛光催化剂。本发明要解决的是纳米晶二氧化钛比表面积小、光催化活性差及合成工艺复杂等问题。该高效催化剂的制备方法简单，无需模板剂，成本低廉，比表面积大，催化性能优异，后处理方法简单，适合于大规模制备。

Description

高效二氧化钛光催化剂及其制备和应用

技术领域

本发明涉及二氧化钛催化剂的制备领域，特别是涉及一种高催化活性的二氧化钛的制备方法及应用。

背景技术

随着世界经济的飞速发展，人类对赖以生存的化石能源的过度使用导致了温室效应、大气污染、土壤污染、水污染等一系列严重的环境污染问题，从而极大的破坏了地球的生态环境。环境污染除了给生态***造成直接的破坏和影响外，污染物的积累和迁移、转化还会引起各种衍生的环境效应，给生态***和人类社会造成间接的更严重的危害。因此，解决环境问题从而实现人类的可持续发展成为二十一世纪极具挑战性的课题。光催化氧化法是近年来出现的高级水处理技术，在一定的反应时间内通常可以将有机物完全矿化为CO₂和H₂O等简单无机物，避免了二次污染，简单、高效，是一种应用性很强的高级氧化技术。半导体光催化剂TiO₂由于无毒、价廉、稳定性高和优异的光电性能而引起了人们的广泛关注。但是，传统的TiO₂光催化剂因光生电荷复合率高而限制了其大规模的环境应用。因此，如何进一步提高TiO₂光催化剂的光催化效率成为函待解决的问题。

众所周知，TiO₂是一种非常稳定的半导体材料，紫外光激发后能产生电子和空穴对，电子和空穴对的复合几率决定了对光的利用率。电子和空穴对的复合几率是由TiO₂的粒子尺寸、相结构、结晶度、比表面积等特性决定的。通常，锐钛矿相TiO₂具有最高的光催化活性。较小的粒子尺寸使得TiO₂具有较高的比表面积，从而有利于提高表面反应和提供更多的活性中心。高的结晶度使得TiO₂具有较少的表面缺陷，可以减少光生电子和空穴的复合中心，从而提高光催化活性。为了提高结晶度，通常需要进行高温焙烧，这样就造成比表面积的降低和晶粒聚集，从而导致了较低的光催化效率。值得注意的是，多维材料具有高的活性位点及体积比而非常有利于反应物和产物的扩散以及对光的吸收利用。因此，合成同时具有高结晶度和较大比表面积的锐钛矿相多维纳米TiO₂光催化剂有利于大大提高催化剂的光催化活性。然而，获得同时具备这些特性的TiO₂光催化剂目前仍是一挑战性课题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有二氧化钛光催化剂比表面积小、光催化活性低、效率差、合成工艺复杂等技术问题，通过调节电解质的强度来制备具有高比表面积、高催化活性的不同形貌二氧化钛催化剂。并且该方法工艺和流程简便，参数可调范围宽，成本低，性能稳定，可重复性强，具有潜在的工业应用前景。

一种高效二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：

（1）量取氨水，在搅拌中，加入电解质；

（2）将钛酸四丁酯滴入上述溶液中，在钛酸酯快速水解的同时剧烈搅拌使之混合均匀；

（3）将混合均匀的悬浮液放入聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在120～180℃下水热反应12～72小时；

（4）反应结束后将沉淀产物用蒸馏水、无水乙醇洗涤，然后在60～80℃下干燥6～24小时，即得到具有高效催化活性的二氧化钛光催化剂。

步骤（1）中所述的电解质为氯化钠，氢氧化钠，碳酸钠，磷酸钠中的一种。

步骤（2）中所述的钛源为硫酸钛、或钛酸四丁酯，或钛酸异丙酯。

步骤（2）中所述加入的钛酸酯与电解质的摩尔比为10:1~40:1。

步骤（5）中所述的干燥方法为常压干燥，或真空干燥。

根据上述任意一项所述方法制备得到的高效二氧化钛光催化剂。

高效二氧化钛光催化剂在降解染料中的应用。

本发明所述的一种高效二氧化钛光催化剂的制备及应用，其特征在于：采用钛酸酯为原料，氨水为溶剂等，并在搅拌过程中加入电解质、酸及蒸馏水，搅拌均匀后，转移至聚四氟乙烯中水热反应一段时间后，通过离子强度的调节得到高比表面积、高催化活性的不同形貌纳米二氧化钛光催化剂。该制备方法所获得二氧化钛纳米活性位点多、比表面积大、催化活性高，产物性质稳定。

本发明制备的二氧化钛纳米材料，具有较大的比表面积，且具有非常高的结晶度。本发明方法制备的二氧化钦光催化剂活性位点多，这有利于反应物和产物的扩散以及对光的吸收利用。由本发明方法制备的纳米二氧化钦光催化剂具有很高的光催化活性，在紫外光照射下，可以有效地催化降解空气和水中的有机污染物。合成工艺简单、成本低、产量高、所需设备简易，易于实现工业化生产。

附图说明

图1：实施例1所得到的二氧化钛的SEM图谱。

图2：实施例2所得到的二氧化钛的SEM图谱。

图3：实施例3所得到的二氧化钛的SEM图谱。

图4：实施例1,2,3所得到的产物的XRD图谱。

图5：实施例1,2,3所得到的产物的光催化效率曲线。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步阐述，其目的仅在于更好理解本发明的内容。因此，所举之例并不限制本发明的保护范围。

实施例1：

（1）量取68 ml的氨水，在搅拌中，加入1.1 g的NaOH作为电解质。

（2）将7.8 ml的钛酸四丁酯加入上述溶液中，在钛酸酯快速水解的同时剧烈搅拌使之混合均匀。

（3）将混合均匀的悬浮液放入聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在180 ℃下水热反应24 h。

（4）反应结束后将沉淀产物用蒸馏水、无水乙醇洗涤，然后在80 ℃下干燥12h，即得到具有高效催化活性的二氧化钛光催化剂。

将步骤(4)中所得产物分别用SEM、XRD对其结构和晶型进行表征，图1为此反应条件所得的TiO₂纳米短棒的形貌。从图中可以看出，制备的产物粒径均匀，直径约为20 nm，长度约为100 nm。从XRD图中可以看出，采用NaOH为电解质，产物为锐钛矿晶型。

实施例2：

（1）量取68 ml的氨水，在搅拌中，加入4.3 g的Na₂CO₃作为电解质。

（2）将1.5 g的硫酸钛加入上述溶液中，在钛酸酯快速水解的同时剧烈搅拌使之混合均匀。

（3）将混合均匀的悬浮液放入聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在150 ℃下水热反应24 h。

将步骤(4)中所得产物分别用SEM、XRD对其结构和晶型进行表征，图2为此反应条件所得的TiO₂纳米片的形貌。从图中可以看出，随着电解质的变化，产物的形貌也开始转变，较大片的直径约为50 nm，长度约为200 nm。从XRD图可看出，产物有锐钛矿和板钛矿两种晶型。

实施例3：

（1）量取68 ml的氨水，在搅拌中，加入6.8 g的Na₃PO₄作为电解质。

（2）将8.5 ml的异丙醇钛加入上述溶液中，在钛酸酯快速水解的同时剧烈搅拌使之混合均匀。

将步骤(4)中所得产物分别用SEM、XRD对其结构和晶型进行表征，图3为此反应条件所得的TiO₂纳米片的形貌。从图中可以看出，随着电解质的变化，产物的形貌也开始转变，Na₃PO₄为电解质时，产物的形貌是纳米棒，直径约为100 nm左右，长度约为2 ??m。从XRD图可看出，产物有锐钛矿和板钛矿两种晶型。

实施例4：

（1）量取68 ml的氨水，在搅拌中，加入4.3 g的Na₃PO₄作为电解质。

实施例5

（3）将混合均匀的悬浮液放入聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，在150 ℃下水热反应36 h。

Claims

1.一种高效二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：

（1）量取氨水，在搅拌中，加入电解质；

2.根据权利要求1所述高效二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的电解质为氯化钠，氢氧化钠，碳酸钠，磷酸钠中的一种。

3.根据权利要求1所述高效二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的钛源为硫酸钛、或钛酸四丁酯，或钛酸异丙酯。

4.根据权利要求1所述高效二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述加入的钛酸酯与电解质的摩尔比为10:1~40:1。

5.根据权利要求1所述高效二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤（5）中所述的干燥方法为常压干燥，或真空干燥。

6.根据权利要求1-5任意一项所述方法制备得到的高效二氧化钛光催化剂。

7.根据权利要求6所述高效二氧化钛光催化剂在降解染料中的应用。