[发明专利]一种用于光催化净化氨气的二氧化钛催化剂、制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光催化净化氨气的二氧化钛催化剂、制备方法及其用途，所述催化剂用于光催化净化氨气。

背景技术

氨气是一种重要的室内污染气体，它的污染现状得到了人们的关注，光催化净化室内氨气的研究在一定程度上得到了开展。目前在光催化净化室内的氨气的反应体系中，催化剂大多是锐钛矿型二氧化钛、商用型二氧化钛P25，或者是把这两种催化剂负载在织物或者其他载体上的负载型催化剂，虽然这些催化剂在光催化净化氨气的反应中取得了一定的效果，但在这个反应体系中，缺乏新型催化剂的研发，而且催化剂的催化性能也有待进一步的提高。

在光催化反应用，二氧化钛的催化活性与其晶型结构、颗粒大小以及表面结构密切相关。锐钛矿、金红石以及板钛矿为二氧化钛最常见的3种晶型，其中以锐钛矿活性最高，且锐钛矿不同晶面具备不同的催化活性。锐钛矿型的二氧化钛具有三种晶面，其中稳定存在的是以暴露表面能较低的（101）晶面为主的二氧化钛，（101）晶面为锐钛矿的主导暴露晶面（比例超过94%）。而（001）晶面具有非常高的表面能，表面能约为0.90J/cm²，热力学不稳定，在晶化过程中容易消失而占有较小的晶面暴露比例，因此一般的锐钛矿二氧化钛中不存在（001）晶面。（001）晶面的表面能较高，因而暴露（001）晶面的锐钛矿型二氧化钛往往具有较高的催化性能。然而在晶体生长过程中，因体系表面能量最小化趋势而导致高表面能晶面很快消失，通常难以获得具有高表面能的晶面。

CN102515270A公开了一种（001）晶面暴露的混晶型纳米TiO₂的制备方法，包括以下步骤：1）将钛酸四丁酯、NH₄F和HF经混合均匀得到反应体系；2）将步骤1）所得反应体系于150～200℃温度下反应10～24小时；3）将步骤2）所得产物经洗涤、干燥，即可得到（001）晶面暴露的混晶型纳米TiO₂。本发明方法工艺简单、易于控制、生产效率高，采用本发明方法所制备的（001）晶面暴露的混晶型纳米TiO₂的光催化性能得到大大提高，在光催化领域具有很好的应用前景。但是，该方法中使用了钛酸四丁酯、NH₄F和HF三种原料，增加了制备工序和成本，另外该发明仅提到混晶型纳米TiO₂可用于光催化领域，但并没有公开所述催化剂是否可以应用于气相的光催化反应中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于光催化净化氨气的二氧化钛催化剂的制备方法，采用所述方法制备得到的催化剂为锐钛矿型二氧化钛，其具有高比例的（001）晶面，具有优异的催化净化氨气效率、催化活性以及稳定性。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于光催化净化氨气的二氧化钛催化剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：

（1）将钛的有机化合物、HF溶液以及水混合均匀，得到混合溶液；

（2）将混合溶液移入反应釜中，反应；

（3）将反应产物洗涤，干燥，得到所述用于光催化净化氨气的二氧化钛催化剂。

本发明以HF作为表面结构导向剂，钛的有机化合物作为钛源，使用水热合成的方法制备了高比例暴露（001）晶面的二氧化钛。F^-可显著降低（001）晶面的表面能，在晶化过程中有利于（001）晶面的生成，形成高比例暴露（001）晶面的二氧化钛。

所述钛的有机化合物选自钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯或钛酸四乙酯中的任意一种或至少两种的混合物，优选钛酸四丁酯和/或钛酸四异丙酯，进一步优选钛酸四丁酯。所述混合物例如钛酸四丁酯和钛酸四异丙酯的混合物，钛酸四乙酯和钛酸四丁酯的混合物，钛酸四异丙酯和钛酸四乙酯的混合物，钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯和钛酸四乙酯的混合物。

优选地，所述HF溶液中F原子和钛的有机化合物中的钛原子的摩尔比为0～3，例如0.2、0.4、0.6、0.8、1.2、1.4、1.6、1.8、2、2.2、2.4、2.6、2.8，优选0.33～2，进一步优选0.67～1.33，最优选1。通过控制钛原子与F原子的摩尔比，可有效控制二氧化钛催化剂中暴露（001）晶面的比例、平均孔尺寸和孔容，提高二氧化钛催化剂的氨气催化活性。

锐钛矿二氧化钛（001）晶面比传统热力学稳定（101）晶面具有更高的催化活性，同时，本发明制备的锐钛矿二氧化钛暴露出高比例（001）晶面，因此，本发明制备得到的暴露（001）晶面二氧化钛具有更为优异的光催化活性。