[发明专利]光催化活性碳掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米材料的制备方法，特别是一种可见光下具有强光催化活性的碳掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法，属于无机纳米光催化材料领域。

背景技术

以二氧化钛为代表的半导体光催化技术在有机污染物降解、分解水制氢、自洁净表面、抗菌陶瓷等方面显示出广阔的应用前景。半导体光催化反应的机理是通过吸收能量超过带隙对应能量的光子，光催化剂的价带电子激发生成光生空穴和电子，进而迁移到催化剂表面与吸附的有机污染物或水分子进行氧化还原反应的过程。这种方法具有能耗低、反应条件温和、操作简便等许多优点。然而目前应用较多的TiO₂等宽带隙半导体化合物仅在紫外光范围起作用，而太阳光能量主要集中在400-700nm的可见光范围，外加紫外光源对于开放环境系统的光催化净化技术非常不利，既增加了成本同时也带来了安全问题，所以是不可行的。利用自然光降解有毒有机污染物或光解水制氢对于环保和能源开发具有重大意义。

近期研制了数以百计的可见光响应的新型半导体光催化材料，然而这些结构中涉及一些昂贵的金属元素如铌、铋、钽等，使得这些新型半导体光催化材料在环境净化等大规模应用方面在价格上不具备竞争力。采用廉价的二氧化钛产品，通过简单方法引入廉价的氮、碳、硫等元素进行非金属掺杂，形成带隙减小、宽谱响应的高效稳定的掺杂二氧化钛产品，这样的纳米材料必将在环境净化领域具有广阔的市场。大量的研究表明通过非金属掺杂二氧化钛，在半导体的价带和导带之间形成中间能级，这样电子可以跃迁到中间能级再到导带，所需要的激发能量减小了，所以其响应的光波长可以一直拓展到可见光区域，将充分利用太阳光广谱90％以上的能量，推动光催化环境净化技术的大规模应用。

目前有一些碳掺杂二氧化钛的论文和专利技术的报道，例如文献《德国应用化学》杂志2003，42，4908-4911上发表的“碳修饰TiO₂的日光光催化作用”(S.Sakthivel，H.Kisch，Daylight Photocatalysis by Carbon-Modified Titanium Dioxide，Angew.Chem.Int.Ed.)，报道了添加四丁基氢氧化铵水解四氯化钛，在低温下焙烧获得高光催化活性的碳掺杂二氧化钛。而文献《应用催化B：环境》杂志2001，32，215-227上发表的“采用含碳二氧化钛光催化剂可见光降解4-氯酚”(C.Lettmann，K.Hildenbrand，H.Kisch，et al.，Visible light photodegradation of4-chlorophenol with a coke-containing titanium dioxide photocatalyst，AppliedCatalysts B：Environmental)，报道了采用酸性下水解烷基钛前驱物的方法制备高光催化活性的含碳二氧化钛。专利CN100375650C“低温法制备碳掺杂介孔二氧化钛可见光光催化剂”，采用糖类化合物作为碳源，通过低温水热或溶剂热法制备介孔的碳掺杂二氧化钛。这些文献报道的制备碳掺杂二氧化钛的方法大部分涉及复杂的工艺，或者在通氮气或真空条件下高温煅烧，不利于大规模的制备，或者需要添加特殊的化学物质，增加了产品的生产成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种光催化活性碳掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法，减低生产成本，简化生产工艺，制备的碳掺杂二氧化钛纳米粉体在可见光下具有高光催化活性。

本发明是通过以下技术方案实现的。本发明采用有机钛化合物为原料，通过加入少量的水进行不完全水解，含碳的有机基团残留于前驱物的凝胶网络中，干燥后的前驱物在缺氧气氛中，于一定温度下进行焙烧，使碳元素进入二氧化钛的晶格，即可获得自然光下高活性的碳掺杂二氧化钛。

本发明的碳掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法具体如下：

1、将钛的有机化合物缓慢加入水溶液中，充分搅拌混合均匀，产生白色沉淀物质；其中钛有机化合物和水的体积比为1∶0.1～5。

2、将白色沉淀物质在50～200℃下干燥2～72小时，随后研磨得到固体粉末。

3、将固体粉末置于缺氧装置中进行热处理，升温速度为1～40℃/分钟，在200～800℃空气气氛中煅烧0.2～6小时；产物收集后，经多次水洗和醇洗，再在60～80℃下干燥，去除表面残留的碳物质，即获得具有可见光光催化活性的碳掺杂二氧化钛纳米材料。