[发明专利]过渡金属元素和非金属元素掺杂纳米二氧化钛改性光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化技术领域，具体涉及过渡金属元素和非金属元素掺杂纳米二氧化钛改性光催化剂的制备方法。

背景技术

二氧化钛由于其独特的光催化特性，作为新一代的最有开发前途的绿色环保型催化剂在水环境净化处理、大气污染治理、抗菌材料中有着广泛的应用而成为研究的热点。但由于锐钛矿型的二氧化钛能带隙度较宽Eg=3.2eV，只能响应光波波长小于400nm的紫外光波段，对可见光区的光响应很弱，但紫外光约占太阳光的4%，而可见光占太阳光的43%；再者光激发产生的电子与空穴极易复合，导致光催化的效率降低，且量子化效率低；更二氧化钛的粉体回收困难等问题。这些都严重制约了TiO₂光催化的实际应用。因此，掺杂改性TiO₂和对其固定化都是提高二氧化钛的光催化性能和回收率成为该项技术是否能得到应用的两大关键。

一、二氧化钛的固定化

为了克服粉末 TiO₂催化剂存在的分离回收困难，易凝聚，易沉降，稳定性差等问题，人们将研究的重点转向固定态TiO₂催化剂。催化剂固定化不仅是催化剂回收再利用的有效途径，也是应用活性组分和载体的各种功能，设计最佳催化剂的理想形式。近年来，国内外对固定相TiO₂薄膜催化剂做了许多探索，开展了一系列关于TiO₂粉末固定化(李宣东等, 哈尔滨工业大学学报.2004,36(1):79~83；X. Z. Li, et al. Environ. Sci. Technol. 2000, 34:4401~4406)和制备TiO₂薄膜的研究工作(C. J. Tavares, J. Vieira, et al. Materials Science and Engineering B. 2007, 138:139~143；B. Z. Maria, J. S. Jeosadaque, et al. Environ. Sci. Technol. 2004, 38:3203~3208；N. M. Mahmoodi, M. Arami, N. Y. Limaee. Materials Research Bulletin. 2007, 42:797~806)取得了一些进展。研究表明：光催化法应用于实际需要解决的主要技术问题是选择催化剂的载体和TiO₂催化剂在载体上的固定化。

目前二氧化钛固定化的方法很多，目前固定态催化剂制备所使用的原料主要有两个来源：其一，直接使用商品目前固定态催化剂制备所使用的原料主要有两个来源：其一，直接

     使用商品TiO₂粉末，将其分散在加有添加剂的水中制成TiO₂浆液，再将其负载在载体上；其二，以含钛化合物为原料，通过化学反应生成TiO₂粉末，再选择恰当的担载方法。目前报道的担载方法主要有：溶胶-凝胶法、电泳沉积法、粉末烧结法、化学气相沉积法和阳极氧化法等。溶胶-凝胶法是常用的TiO₂催化剂固定方法，此方法工艺简单、成本低，可用于大面积和不规则形状基底镀膜，但存在镀膜不牢固和负载的催化剂量过少等缺点。

二、提高二氧化钛的光催化效率

    提高二氧化钛光催化活动的途径有以下几方面。(1)对催化剂本身的改进，在制备TiO₂催化剂时掺杂特定敏化物质，提高光生电子的运输效率，抑制电子与空穴的复合。目前，国内外的研究手段主要是通过半导体表面贵金属沉积、过渡金属离子掺杂、非金属掺杂、半导体复合和半导体表面光敏化等手段改性TiO₂，拓宽其波长响应范围，提高光催化效率。(2)

改进光催化剂反应的装置或加入辅助催化剂，提高太阳光的利用率和反应效率。

发明内容

本发明的目的是提供过渡金属元素和非金属元素掺杂纳米二氧化钛改性光催化剂的制备方法，克服了TiO₂光响应范围窄、光催化效率不高和二氧化钛回收再利用困难等不足之处。共掺杂改性后的二氧化钛既可以作为降解有机污染物的光催化剂，又可作为光电催化反应的阳极材料。在光源和外加电压作用下，进行光电催化反应，提高降解有机污染的速率。