[发明专利]一种具有可见光催化活性的掺杂嫁接纳米TiO2及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米TiO₂可见光催化领域，具体而言，涉及一种具有良好可见光催化活性的金属与氮元素共掺杂、金属离子嫁接的纳米TiO₂及其制备方法。

背景技术

1972年，Fujishima和Honda在研究光辐射对TiO₂电极的作用时，第一次发现了TiO₂具有光催化效应，在紫外光下将水分解为氧气和氢气，拉开了TiO₂研究的序幕。经过长期的探索和丰富的积累，TiO₂在新能源利用、污水及室内空气污染净化、自清洁、抗菌涂料等领域均有良好的应用前景，成为解决能源危机和环境污染的重要研究课题之一。然而单纯的TiO₂光催化活性所能响应的光波长范围仅局限在紫外部分，而太阳光中紫外部分能量仅占5%左右，因此在实际应用中往往需要采用额外的紫外光源才能达到预期效果。目前应用中的污水处理、空气净化、自清洁、抗菌等产品大多采用单纯的TiO₂，在自然光下光催化效果非常有限。

通过对TiO₂进行改性，可以将TiO₂所响应的波长范围扩展到可见光区，并且提高光量子效率，能更有效的利用太阳光或自然光。通过元素掺杂、金属负载、窄禁带半导体与TiO₂复合以及染料敏化等均可以实现TiO₂的可见光响应，其中元素掺杂得到的TiO₂效果明显、结构稳定，是TiO₂改性的主要方法。最早是对TiO₂进行金属元素掺杂，这可以在禁带产生杂质能级，降低禁带宽度，延伸响应波长范围；非金属元素与金属元素掺杂不同，一般不会在禁带中形成供体能级，而是将TiO₂的价带上移，缩短禁带宽度，其中氮元素是掺杂元素中最常见的一种。无论是产生杂质能级还是使价带上移都可以拓宽二氧化钛的响应波长范围。同时金属元素掺杂和非金属元素掺杂可以降低电子空穴复合效率，增强光量子效率。

近几年，金属离子嫁接引起人们的研究兴趣，它虽没有改变TiO₂的能带结构，却呈现优秀可见光催化活性。通过金属离子嫁接，TiO₂价带上的电子受光激发后，通过界面电荷转移(interfacial charge transfer, IFCT)机制，传递到TiO₂表面的金属离子上，增强光量子效率。但是，总体来看，它们的催化效果仍不是令人很满意，限制了其的实际应用，因此，开发在太阳光或自然光下具有更强光催化活性的TiO₂显得极为必要。

本发明通过金属和氮元素共掺杂，金属离子嫁接之间的协同作用对TiO₂进行改性，扩展吸收光谱范围至可见光区域，实现可见光响应，增强光量子效率，最终提高TiO₂在太阳光或自然光下的光催化效率。

发明内容

本发明提供了一种具有可见光催化活性的掺杂嫁接纳米TiO₂及其制备方法，通过金属和氮元素共掺杂、金属离子嫁接两个制备过程对TiO₂进行改性，扩展吸收光谱范围至可见光区域，实现可见光响应，增强光量子效率，最终提高TiO₂在太阳光或自然光下的光催化效率。

本发明所述的具有可见光催化活性的掺杂嫁接纳米TiO₂是通过以下步骤实现的。

(1) 冰水浴中，将掺杂物溶液缓慢加入到TiCl₄溶液中，搅拌均匀，然后逐滴加入氨水溶液，调节溶液pH值至9～11，产生沉淀；过滤，并用去离子水洗涤沉淀直至检测不到氯离子，收集沉淀并将其分散于去离子水中，之后加入H₂O₂，搅拌至透明溶液后，在100～120℃条件下加热回流12～48h得到掺杂纳米TiO₂溶液。

(2) 向掺杂纳米TiO₂溶液中加入金属盐，85～95℃加热搅拌1h，收集所得沉淀并用0.025μm膜过滤，之后用大量去离子水洗两次，然后于105～115℃干燥18～36h，得到具有可见光催化活性的掺杂嫁接纳米TiO₂。

在上述具有可见光催化活性的掺杂嫁接纳米TiO₂的制备技术方案中，所述的掺杂物溶液和TiCl₄溶液的体积比为1 : (15～30)。