[发明专利]氮掺杂氧化钛基纳米材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于低维纳米材料技术领域，特别涉及一种氮掺杂氧化钛基纳米材料的制备方法。

背景技术

随着环境污染的日趋严重，可见光光催化剂由于可以利用丰富的太阳能并且不会产生二次污染而受到人们的青睐。作为最有前途的光催化剂，N掺杂的二氧化钛具有较高的光催化活性，且具有价格低廉及合成可控等优点，其中最大的优点是它不仅吸收紫外光，而且还吸收可见光。

目前有很多种N-TiO₂制备方法：溅射法、脉冲激光沉积法、等离子体表面改性、溶剂热合成法、机械化学法、溶胶--凝胶法等。但目前氮掺杂氧化钛技术领域还存在一些问题需要解决。例如: (1)N的掺杂量偏低，文献报道一般小于2 %；(2)N掺杂TiO₂的长期稳定性较差；(3)可见光响应的基本机理还不是十分清楚；(4)氧空位的角色和作用机制不是十分清楚。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮掺杂氧化钛基纳米材料的制备方法，可以提供不同氮掺杂量的氧化钛基纳米材料，且材料的稳定性好。

本发明采用的技术方案如下：

氮掺杂氧化钛基纳米材料的制备方法，以钛酸钠纳米管为前驱体, 以铵盐水溶液为氮源，在空气气氛下煅烧获得氮掺杂氧化钛基纳米材料。

前躯体与铵盐水溶液中NH₄⁺的物质的量比为0.1～1：1。

铵盐可选择NH₄CL、NH₄NO₃、 (NH₄)₂CO₃、(NH₄)₂SO₄等。

煅烧于管式炉中进行，管式炉的升温速率为1～20℃/min。

煅烧的温度为100-600℃，煅烧时间为2～5h。其中煅烧时间对结果影响并不大。

具体的，通过调节煅烧温度，可以得到不同氮掺杂量的氧化钛基纳米材料。

较好的，前躯体采用水热法制备，步骤如下：将TiO₂纳米颗粒与强碱在110～160℃反应24～72 h，冷却后将沉淀物进行洗涤后进行干燥即得所述钛酸钠纳米管前躯体。

干燥于真空下进行，干燥温度为60～110℃，干燥时间为24～72h。

洗涤时用水洗涤至洗涤液pH为11-13。

具体的，水热法制备Na₂Ti₂O₄(OH)₂纳米管的过程为：把300 mL、120 g氢氧化钠与6 gTiO₂纳米颗粒粉末加入聚四氟乙烯瓶中，油浴控温120℃反应24 h,自然冷却至室温，用蒸馏水洗涤沉淀物至上层清液pH为12左右，抽滤，真空干燥48 h，保持干燥温度为65℃。

液相法前躯体与氮源反应时，具体可将前躯体在氯化铵溶液中超声分散10～60分钟，静置3～6小时。倾去上层清液，用蒸馏水反复冲洗沉淀物，直至除去氯离子。把洗好的沉淀物放在干净的方舟中，同时拿另一个方舟盖在上边。在空气气氛下煅烧，保持三个小时，升温速率为20℃/分钟，煅烧温度控制在100 ℃、 200 ℃、300℃、 400℃、500℃、600℃，即可得到六种N—TiO₂基纳米结构材料，N掺杂量最高可达到7%以上。

本发明中，管状的Na₂Ti₂O₄(OH)₂可与NH₄Cl进行离子交换生成(NH₄)₂Ti₂O₄(OH)₂；利用层间距中的NH₄⁺制备N掺杂的氧化钛纳米结构材料。然后通过在空气气氛下不同温度煅烧来改变氮的掺杂量，氮元素的引入使其对可见光吸收明显的增加，这从产物的紫外吸收-可见漫反射谱图可以明显看出。

本发明获得的氮掺杂氧化钛基纳米结构材料在可见光光催化剂、太阳能转换、光解水制氢、环境净化等领域具有广阔的应用前景。

本发明相对于现有技术，有以下优点：

本发明氮掺杂氧化钛基纳米材料的制备方法，操作简单易行，参数容易控制，N掺杂量可控，含量较高，最高可达7%以上；产品的稳定性较好，放置1年以上性能未见有变化。

附图说明