[发明专利]一种氮掺杂硅铝固载TiO2多孔陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光催化材料技术领域，特别涉及一种氮掺杂硅铝固载TiO₂多孔陶瓷(N/TiO₂-SiAl)的制备方法。

背景技术

TiO₂作为一种廉价、无毒、节能、高效的光催化材料，不仅能够有效降解空气和水中的有机污染物，而且不对人体和环境造成二次污染，因此是造纸、印染等行业废水处理的理想清洁催化剂。同时，TiO₂对于空气中的病菌也具有杀害作用，也可以广泛应用于医院、车船、养殖场等的空气净化处理。但由于TiO₂是宽禁带半导体，光能利用率低，只能吸收利用占地球表面太阳光的3％～4％的紫外光，而占太阳光光谱中绝大多数的可见光部分(能量约占45％)未得到有效利用，从而阻碍了其实际应用。

TiO₂是一种宽禁带半导体，由充满电子的低能价带和空的高能导带构成，在导带和价带之间存在着禁带。当TiO₂吸收的能量大于或等于其带隙能(Eg)的光子(hv)时，TiO₂价带上的电子吸收光子被激发跃迁到导带，同时在价带上留下空穴。由于TiO₂能带的不连续性，电子和空穴的寿命比较长，可以在电场作用下发生分离，迁移到粒子表面的不同位置。它们可以与吸附在催化剂表面的物质发生氧化或还原反应，也有可能直接复合，或者被表面晶格缺陷捕获。

价带中的空穴有较高的氧化电位，能够和吸附在催化剂表面的OH-或H₂O作用生成·OH。光生电子在导带处于较高的能级，具有良好的还原性，能够与O₂发生作用生成·O₂-和·OOH等活性氧自由基并参与氧化还原反应。而生成的·OH，·O₂-，·OOH等氧化性很强的活泼自由基，可以将有机物氧化为CO₂、H₂O等无机小分子且不产生中间产物。其中·OH是光催化反应体系中最主要的活性基，可以无选择的对多种有机物进行氧化并使之完全矿化。

近些年来，人们通过深入研究发现对TiO₂进行改性处理后，使其在太阳光的照射下就能发挥出强大的光催化能力，这对于太阳光的利用和TiO₂材料的更广泛应用具有非常重大的意义。以N为例，掺杂后N取代了TiO₂的晶格氧进入晶格，通过其p轨道和O2p轨道杂化混合形成新的能带，进而降低带隙，使得改性后的TiO₂光响应范围扩展至可见光区。Diwald等在870K下，用NH₃处理锐钛矿TiO₂单晶，得到N掺杂的TiO₂，发现N掺杂使TiO₂在2.4ev～3.0ev范围内的吸收明显增强。在可见光照射下，N掺杂使TiO₂对Ag+的光催化还原活性也明显增强。(Diwald O，Thompson T L，Zubkov T，et al.Photochemical activity of nitrogen-doped rutile TiO₂(111)in visible light[J].J Phys Chem B，2004，108(19)：6004-6008.)

将氮掺杂后的TiO₂固载到多孔材料上有以下优点：其一，由于多孔结构具有较大的比表面积，增强了材料的吸附能力，从而可以吸附更多有机污染物到TiO₂表面，缩短TiO₂光生电子和光生空穴产生的羟基自由基与有机污染物的作用时间。其二，载体可能因为表面成酸(碱)性或参与光催化反应的中间过程，而使TiO₂的光催化活性大为提高。其三，将氮掺杂TiO₂固载不仅可以提高TiO₂在可见光下的反应活性，而且还可以解决纳米TiO₂粉体易团聚、难回收的弊病，达到TiO₂循环利用之目的。这样就还可以实现对废气废水的连续工业化处理，对于创建环境友好型社会意义重大，已引起国内外的广泛关注。

从技术的角度出发，固载TiO₂的方法一般可分为气相法和液相法两大类。由于气相法所需设备复杂、能耗大、成本高，所以目前实验室广泛采用液相法。固载TiO₂的液相方法有溶胶-凝胶法、离子交换法、偶联法、粉体烧结法、水解沉淀法等，其中以溶胶凝胶法和偶联法较为常用。