CN1451474A - 一种用等离子体法制备纳米氮杂氧化钛的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用等离子体法制备纳米氮杂氧化钛的方法。该方法是：将纳米二氧化钛放入微波等离子体发生装置中，抽真空后，通氮气至微波等离子体发生装置内并产生氮等离子体处理纳米二氧化钛，来制备纳米氮杂氧化钛，制得的纳米氮杂氧化钛具有比纳米二氧化钛更好的光催化性能。该方法的特点是反应时间短、反应温度低、无需催化剂。
Description
技术领域
本发明涉及改性纳米材料领域，特别涉及一种用等离子体法制备纳米氮杂氧化钛的方法。
背景技术
锐钛型纳米二氧化钛经紫外光照射可以分解有毒化学品、烟雾残留物、恶臭化学品、脏物、刺激物、细菌等等为无毒、无污染的物质，当紫外光(波长＜388nm)照射时其价带中的电子被激发形成带负电的高活性电子，同时产生带正电的价带空穴，电子与空穴发生分离，迁移到粒子表面的不同位置。空穴和电子分别与表面的水和氧气反应产生高反应活性的羟基自由基和超氧离子自由基，这些自由基能有效地分解有毒化学品。因此，引起人们的极大兴趣，希望利用这种光催化特性解决日益加剧的地球环境污染问题。
锐钛型纳米二氧化钛只有在紫外光照射下才具有催化功能，而自然光中紫外光的含量太少，只占到达地面的太阳光辐射总量的4-6％，且随着时间变化明显，人工产生紫外光耗电量大、还需投入较高设备费，大面积紫外光照射的费用更高甚至难于实现。如果能扩展光催化剂的光谱利用范围，以太阳光作为光源，则可使设备投资和运行成本大大降低，使得在自然环境中去污等成为可能，也为高分子材料作为纳米光催化材料的固载材料创造了条件。为了实现这一宏大目标，很多学者开展了这一领域的研究工作。
Wang C M，Choi，Anpo等尝试采用过渡金属掺杂TiO2制备光催化材料，明显提高了紫外光催化效率，但是没有实现可见光催化功能。
Asahi(Science，2001，293(5528)：269)采用30％的N2/Ar混合气体处理锐钛型纳米二氧化钛TiO2薄膜或采用67％的NH3/Ar混合气体处理锐钛型TiO2纳米微粉4小时，分别制备了氮杂氧化钛TiO2-xNx纳米薄膜和纳米微粉。这种纳米材料在可见光即波长＜500nm的光照射下使乙醛等分解为二氧化碳和水。但是该方法反应时间长，并且还需要氩气，因而成本太高。
等离子体是指由电子、正离子和中性粒子组成的混合体，通常又称为物质的第四种状态。处于等离子态的各种活性种的能量相当高，当分子暴露于等离子体的环境中时，这种能量足以引起化学键的断裂，采用等离子体技术可以制备通常方法难于制备的材料，例如，通过氮等离子体可以进行氮化钛TiN的合成和金属离子的氮化。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的存在的反应时间长及制造成本高的不足，利用等离子体技术的优势，而提供一种用等离子体法制备纳米氮杂氧化钛的方法。该方法的特点是：①反应时间短，小于1小时；②反应温度低，小于500℃；③无需催化剂；④制备的纳米氮杂氧化钛具有比纳米二氧化钛更好的光催化性能。
本发明的目的是采用以下技术措施实现的：
将纳米二氧化钛放入微波等离子体发生装置中，抽真空至真空度小于50毫米汞柱后，通氮气至微波等离子体发生装置内，调节氮气流速1-60立方厘米/分、微波功率300-1000W、温度200-500℃、辐照处理1-60分钟，即得纳米氮杂氧化钛。
用等离子体法制备纳米氮杂氧化钛的方法中所述纳米二氧化钛可以为纳米二氧化钛粉体、纳米二氧化钛薄膜或二氧化钛多孔材料。
本发明具有如下优点：(1)反应时间短，小于1小时；(2)反应温度低，小于500℃；(3)无需催化剂；(4)制备的纳米氮杂氧化钛具有很好的光催化性能，含0.5克纳米氮杂氧化钛的10毫升1％的甲基橙溶液，经太阳光照射下30-50min，其颜色退至无色。
铬酸根光催化降解率实验表明，采用本发明制备的氮杂氧化钛比未改性的二氧化钛具有很好的光催化性能(见下表)，吸光度越小，体系中铬酸根浓度越少，被降解的铬酸根越多，光催化性能越好。称取0.5g氮杂氧化钛于50mL烧杯中，滴加1.6mLCr2O7 2-溶液(Cr(VI)含量0.08g/L)后，萤光高压汞灯照射8min，后取出并冷却，然后加水15mL并摇匀，离心沉降，取10mL上层清液转入25mL比色管，加入0.3mL H2SO4(1∶1)和2mLH3PO4，摇匀静置，再加入0.5mL二苯胺基脲(DCPI)，迅速用水稀至25mL，立即摇匀，静置5min后放入721型分光光度计中，在波长540nm处测定溶液的吸光度；未改性的二氧化钛采用以上方法进行同样的实验以作比较。其吸光度数据列如下表。
氮杂氧化钛和未改性的二氧化钛光催化实验数据
样品种类 吸光度A
氮杂氧化钛(20nm) 0.28
氮杂氧化钛(10nm) 0.08
未改性二氧化钛(20nm) 1.05
未改性二氧化钛(10nm) 0.92
具体实施方式
实施例1
将粒度为20纳米的二氧化钛粉体放入微波等离子体化学气相沉淀装置中，抽真空至真空度45毫米汞柱后，调节氮气流量为50立方厘米/分钟，温度500℃，微波功率为450W，反应30分钟即得产物。产物呈淡黄色，用元素分析表明，氮元素含量为0.35％，称取这种粉体0.2克于10毫升1％的甲基橙溶液中，用太阳光照射下30min，其颜色退至无色。
实施例2
将厚度80纳米的二氧化钛薄膜放入微波等离子体化学气相沉淀装置中，抽真空至真空度45毫米汞柱后，调节氮气流量为1立方厘米/分钟，温度200℃，微波功率为1000W，反应60分钟即得产物。产物呈谈黄色，用元素分析表明，氮元素含量为0.10％，称取这种薄膜0.2克于10毫升1％的甲基橙溶液中，用太阳光照射50min，其颜色退至无色。
实施例3
将多孔二氧化钛放入微波等离子体化学气相沉淀装置中，抽真空至真空度45毫米汞柱后，调节氮气流量为30立方厘米/分钟，温度300℃，微波功率为300W，反应20分钟即得产物。产物呈谈黄色，用元素分析表明，氮元素含量为0.10％，称取这种产物0.2克于10毫升1％的甲基橙溶液中，用太阳光照射50min，其颜色退至无色。
Claims (2)
1、一种用等离子体法制备纳米氮杂氧化钛的方法，其特征在于：将纳米二氧化钛放入微波等离子体发生装置中，抽真空至真空度小于50毫米汞柱后，通氮气至微波等离子体发生装置内，调节氮气流速1-60立方厘米/分、微波功率300-1000W、温度200-500℃、辐照处理1-60分钟，即得纳米氮杂氧化钛。
2、根据权利要求1所述的制备纳米氮杂氧化钛的方法，其特征在于纳米二氧化钛为纳米二氧化钛粉体、纳米二氧化钛薄膜或二氧化钛多孔材料。
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