[发明专利]负载型二氧化钛可见光光催化剂

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛(TiO₂)光催化剂，具体地说，涉及一种具有可见光光催化活性的TiO₂光催化剂。

背景技术

光催化技术是从20世纪70年代逐步发展起来的一门新兴环保技术。它利用半导体氧化物材料在光照下表面能受激活化的特性，利用光能可有效地氧化分解有机物、还原重金属离子、杀灭细菌和消除异味。由于其具有操作简单，只需在常温常压进行；并能彻底破坏空气和水中的污染物，使之完全矿化为二氧化碳、水等无害物质，避免二次污染等优点，是一种具有广阔应用前景的绿色环境治理技术。目前，学术界研究光催化降解环境污染物的多相光催化材料大都集中在金属氧化物和金属硫化物半导体材料上，如二氧化钛、氧化锌、三氧化钨、二氧化锡、三氧化二铁和硫化镉等。在众多半导体光催化材料中，二氧化钛因其催化活性高、安全无毒、化学性质稳定、成本低廉等特点，被公认为环境治污领域最具开发前途的环保型光催化材料。

然而，二氧化钛的禁带宽度为3.2eV，光吸收范围仅局限于紫外光区(波长为＜380nm)。但这部分光尚达不到照射到地面太阳光总能量的5％，因此大大限制了其对太阳能的利用。此外，二氧化钛光催化反应的量子产率低，因为受光辐射后产生激发态价带空穴和导带电子极易重新复合而导致失活。因此，提高二氧化钛光催化反应的量子产率和延长二氧化钛的光响应范围成为二氧化钛光催化技术进入实用性阶段的关键，同时也是本发明需要解决的技术问题。

发明内容

对二氧化钛(TiO₂)进行非金属或金属掺杂，能在二氧化钛的晶格中引入杂质能级，减小TiO₂的禁带宽度；将TiO₂负载于金属，能更有效地进行电子转移，减少电子-空穴的复合，延长空穴的寿命，从而提高光催化反应的量子产率。据此，本发明的发明人经大量实验后，提供一种具有可见光光催化活性、且有实用价值的TiO₂光催化剂。

本发明所说的二氧化钛光催化剂，其以掺杂元素周期表中IB～VIIB和VIII所包含的金属中一种的纳米二氧化钛(二氧化钛的粒径小于100nm)为活性组分，以元素周期表第5和第6周期中IB～VIIB和VIII所包含的金属中一种为载体的负载型催化剂。

在本发明一个优选的技术方案中，以掺杂元素周期表中IB～VIIB所包含的金属中一种的纳米二氧化钛为活性组分，以摩尔百分数为计量单位、纳米二氧化钛中钛的摩尔数为计算基准，所说金属的掺杂量为0.1％～2％；更优选的掺杂金属为元素周期表中VB所包含的金属中一种；最佳的掺杂金属是金属钒(V)。

在本发明的另一个优选技术方案中，以元素周期表第5和第6周期中VIII所包含的金属中一种为载体，以重量百分数为计量单位、所说催化剂的总重量(活性组分与载体的重量之和)为计算基准，所说金属(载体)的负载量为0.5％～8％；更优选金属铂(Pt)或金属钯(Pd)作为本发明所说催化剂的载体。

制备本发明所说的二氧化钛光催化剂的主要步骤是：首先通过溶胶-凝胶法和水热晶化制得掺有IB～VIIB和VIII所包含的金属中一种的纳米二氧化钛；然后采用沉积-沉淀(尿素)的方法(具体参见Journal of Physics Chemistry B 106(2002)7635)将所制得的纳米二氧化钛负载于元素周期表第5和第6周期中IB～VIIB和VIII所包含的金属中一种，即得目标物。

附图说明

图1掺杂不同量的金属钒的纳米二氧化钛在可见光下光催化活性示意图，

其中：横轴为金属钒不同理论掺杂量，纵轴为掺杂不同量的金属钒的纳米二氧化钛2.5小时后对10mg/l甲基橙的降解率。

图2不同催化剂在可见光下光催化活性示意图，

其中：横轴中的a为纯TiO₂催化剂，b为0.57％V-TiO₂催化剂，c为2％Pt/TiO₂催化剂，d为2％Pt/0.57％V-TiO₂催化剂；纵轴为不同催化剂对20mg/l甲基橙溶液2.5小时的降解率。

具体实施方式

以掺杂金属钒(V)和负载金属铂(Pt)为例，阐述制备本发明所说的二氧化钛光催化剂的方法。所说的制备方法包括如下步骤：