[发明专利]一种氮掺杂二氧化钛介孔可见光光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氮掺杂二氧化钛介孔可见光响应的光催化剂的制备方法，属于新材料领域。

技术背景

纳米二氧化钛是一种非常有效的光催化剂，但也存在着只能吸收紫外光、对太阳光占比40%的可见光不能利用等缺点。氮等非金属元素取代二氧化钛中的氧后，可将二氧化钛的光响应范围由紫外光拓展到可见光区，并表现出可见光催化活性。目前报道的氮元素掺杂的方法主要有氧化钛表面氮化处理（Asahi R, Morikawa T, Ohwaki T, et al. S摄氏度ien摄氏度e, 2001, 293, 269-271），利用氨气与纳米二氧化钛在500-600摄氏度气-固反应，氮部分取代氧后，得到氮掺杂的二氧化钛。制备的二氧化钛中含铵根离子时，在空气中加热，也可得到浅黄色氮掺杂二氧化钛（Kis摄氏度h H, Ma摄氏度yk W. 摄氏度hemPhys摄氏度hem, 2002, 3, 399-400）。 但由于氮阴离子不太容易以“取代”形式掺入氧化钛的晶格，所以如何实现有效掺杂就成为研究中的一个关键问题。机械化学混合（高能球磨）处理（Yin S, Yamaki H, Komatsu M, et al. J. Mater. 摄氏度hem., 2003, 13: 2996-3001.），引入铵盐处理（Yin S, Yamaki H, Komatsu M, et al. J. Mater. 摄氏度hem., 2003, 13: 2996-3001. Sato S. 摄氏度hem. Phys. Lett., 1986, 123: 126-128.），TiN退火处理（Morikawa T, Asahi R, Ohwaki T, et al. Jpn. J. Appl. Phys., 2001, 40: 561-563）等等。

利用气-固反应或者二氧化钛混以铵盐热处理制备氮掺杂二氧化钛度面临着一些问题，气-固反应温度低、时间短则氮含量低、催化剂可见光区的吸光系数小，仅对可见光有着较弱的响应。提高氮化温度、延长氮化时间则可能引起氮化过度，将二氧化钛氮化为没有光催化活性的氮化钛，如高濂、张青红等[无机复盐氨解法制备纳米级氮化钛的方法，中国发明专利号：ZL200410015915.6]表明，700摄氏度时二氧化钛就可能完全转变成氮化钛(用XRD检测)。此外，由于氮化温度高、反应时间长，二氧化钛必不可避免地长大，纳米二氧化钛气-固反应难以获得高比表面积、超细晶粒的氮掺杂二氧化钛可见光催化剂。

        

发明内容

   本发明的目的是这样实施的：它是利用钛醇盐和正硅酸乙酯为主要原料，采用无机酸为水解催化剂，用溶胶凝胶法制备钛硅复合氧化物，复合氧化物经干燥、粉碎和过筛后，高温煅烧，氨气中氮化使二氧化钛掺氮。掺氮后的复合粉体经碱溶液洗涤后，溶去其中的二氧化硅，得到所需的氮掺杂二氧化钛介孔可见光光催化材料。这种材料由介孔和晶粒尺寸小于10纳米的掺氮二氧化钛构筑的团聚体，其比表面积大于150m²/g以上。

具体实施可分为三大步：

第一步制备钛硅复合氧化物；第二步复合氧化物氮化；第三步碱溶液洗涤晶化后的复合氧化物，从而获得具有可见光光催化特性的掺氮二氧化钛介孔材料。现分别详述如下：

一、  钛硅复合氧化物的制备

    通过二步水解法，可以有效地控制钛硅复合氧化物的织构。本发明所提及的钛醇盐可以是钛酸乙酯、钛酸异丙酯或钛酸丁酯。目前，国内钛的醇盐中钛酸丁酯较易得到。由于正硅酸乙酯的水解速度比钛醇盐慢（尤其是使用钛酸丁酯时），所以要获得组分均匀的复合粉体应让正硅酸乙酯首先部分水解得到溶胶。

    具体制备工艺是：首先将体积比为1：1的正硅酸乙酯的乙醇溶液于50－70摄氏度水解，制成溶胶，然后将体积比为1：1的钛醇盐的乙醇溶液加入到上述溶胶中，再逐步加入0.1M稀硫酸的乙醇溶液使钛的醇盐水解，得到复合溶胶，复合溶胶在室温下凝胶化。调节两种溶液的比例可获得不同钛硅比的复合氧化物。本发明提供的复合氧化物的钛硅比变化范围是1:19至1:1。具体组成为：TiO₂19SiO₂、TiO₂9SiO₂、TiO₂4SiO₂、TiO₂3SiO₂、TiO₂SiO₂等5种。