[发明专利]一种能量转换光催化纳米材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在可见光下具有光催化活性的锐钛矿型纳米二氧化钛的制备方法。

背景技术

以四氯化钛为主要原料制备的不同粒径的锐钛矿型二氧化钛(TiO₂)具有光催化性能，当纳米二氧化钛颗粒尺寸小于某一临界尺寸时，光生电子和空穴的氧化能力急剧提高，可以氧化大多数有机物。同时，二氧化钛具有化学性质稳定、无毒和无污染的优点，广泛应用于室内空气净化、天然水体和工业废水的无害化处理。

锐钛矿型纳米二氧化钛作为光催化剂的制备和使用过程中，有两个关键技术问题：一是锐钛矿型二氧化钛禁带宽度是3.2ev，吸收与禁带宽度相匹配的能量光的波长位于在紫外光区(λ＜387nm)，降低了在自然光中的光催化效率(太阳光波长在460～500nm)；二是在制备锐钛矿型纳米二氧化钛方法中，如果采用成本较高的钛酸丁脂为原料的溶胶-凝胶法，其凝胶需在500～600℃煅烧完成晶化，不可避免地产生纳米粒子的团聚；如果采用成本较低的四氯化钛水解法或硫酸钛沉淀法制备，需要对无定形的二氧化钛(正钛酸溶胶)反复洗涤后，再在500～600℃煅烧晶化，除了纳米粒子的团聚外，由于无定形的二氧化钛颗粒度很小，近乎胶体，洗涤非常困难，难以在工业化生产中推广。

目前，提高锐钛矿型纳米二氧化钛在太阳光中的催化效率的方法主要是降低二氧化钛禁带宽度，通过金属离子或金属氧化物增加表面缺陷，将吸收光的波段红移，例如：专利号为200410033800.x、名称为“在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜及其制备方法”，掺杂锂盐和锑盐制备了可见光下高催化活性的二氧化钛薄膜。专利号为03158740.2、名称为“具有可见光响应的光催化剂及其制备方法和应用”，通过掺杂氧化铁、氧化铷和氧化镍等主族元素和过渡金属元素氧化物制备了具有可见光相应的光催化剂。专利号为200410059680.0、名称为“可见光响应型二氧化钛光触媒室内空气净化剂的制备方法”，掺杂了金属氧化物。专利申请号为200410022019.2、名称为“一种可见光激发的复合光催化抗菌材料及其制备方法掺杂了氧化铈。专利200410066813.7、名称为“可见光响应型二氧化钛光催化剂的制备方法”，掺杂了氮元素都制备了可见光响应的光催化剂。上述公开专利通过掺杂固然可以减小二氧化钛禁带宽度，使相匹配的吸收波段部分红移到可见光波段，但其缺陷是：禁带宽度的减少将会降低二氧化钛的氧化还原电位，削弱其氧化分解有机物的能力。

发明内容

本发明目的是为克服现有技术的不足，提供一种具有上转换能量效应，可在可见光下具有光催化活性的锐钛矿型纳米二氧化钛光催化材料。

本发明的另一个目的是提供具有上转换能量效应、可在可见光下具有光催化活性的锐钛矿型纳米二氧化钛光催化材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明的能量转换光催化纳米材料采用的技术方案是：在锐钛矿型纳米二氧化钛中掺杂稀土元素Yb，Er，Ho，Tm的氧化物的一种或两种，掺杂的稀土氧化物占总重量的百分比为0.01～20％。

上述能量转换光催化纳米材料的制备方法是：先以浓度为0.02～3.5mol.L^-1四氯化钛为原料，掺杂稀土元素Yb，Er，Ho，Tm的氧化物中的一种或两种；将上述混和溶液在20～90℃的温度下水解20～480分钟，再用含有有机胺的有机萃取方法对混和溶液进行萃取，除去溶液中的Cl^-，得到含稀土元素的锐钛矿型纳米二氧化钛凝胶，陈化2～48小时；最后将二氧化钛凝胶在120～240℃水热晶化，得到纳米能量转换光催化材料。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明在锐钛矿二氧化钛中掺杂了有上转换效应的稀土元素组合，在氧化钛基体上，吸收多个低能量光子(可见光波段)，发射高能量光子(紫外光波段)，通过能量转换使锐钛矿型二氧化钛吸收部分可见光转换为紫外能量被吸收而不减低其禁带宽度，提高了二氧化钛光催化剂对可见光的利用效率。

2、利用有机胺萃取体系萃取四氯化钛水解产生大量的盐酸，最低可将溶液中Cl^-的浓度降低到10^-7mol.L^-1，避免了对正钛酸胶体的洗涤，实现四氯化钛水解法的工业化生产。

3、利用水热反应晶化四氯化钛水解得到的凝胶，制备纳米锐钛矿型氧化钛，避免了高温煅烧可能产生的粒子团聚。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。