[发明专利]一种Fe、N共掺杂二氧化钛介孔微球阵列可见光光催化剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化钛光催化领域，特别涉及Fe、N共掺杂二氧化钛微球阵列可见光光催化剂制备及其应用。

背景技术

随着全球工业化进程的推进，环境污染、能源危机、温室效应已成为21世纪人类面临的重大问题，如何实现环境保护和可持续发展成为国内外研究的热点。大量研究表明，水和空气中各种有毒有害的污染物，化工生产中排放的各种烷烃、芳烃及其衍生物、卤代物、多环芳烃和杂环化合物等大都能被光催化降解。TiO₂由于具有化学性质稳定、耐光腐蚀、耐化学腐蚀、对人体无害、廉价、能隙适中、有很强的氧化性等特点，从而成为半导体光催化研究领域中最有应用潜力的光催化剂。但由于TiO₂锐钛矿相的禁带宽度较宽为3.2eV，只能吸收能量等于或大于其禁带宽度的紫外光(即波长小于或者等于387.5nm)，吸收波长阈值大都在紫外区，而这些紫外光仅仅占太阳光能量的不足5％。因此纯的TiO₂难以利用可见光或者太阳能，难以付诸于工业应用；(2)光量子效率低，光生电子和空穴极易在体相和表面复合，难以实现有效的分离与利用。

为了解决这两个核心问题，提高光催化的效率，科研界尝试了大量的工作，通过对TiO₂的微结构、形貌和尺寸的控制以及改性的方法来提高TiO₂光催化活性。改性的方法主要是离子掺杂，利用物理或化学方法，将离子引入到二氧化钛晶格结构内部，从而在其晶格中引入新电荷、形成缺陷或改变晶格类型，影响光生电子和空穴的运动状况、调整其分布状态或者改变二氧化钛的能带结构，最终导致二氧化钛的光催化活性发生改变。目前普遍有非金属(N、S、C、F)掺杂,还有稀土金属、过渡金属的掺杂，如：Fe³⁺、Co²⁺等。共掺杂也是研究的热点，Fe、N共掺杂的效果最好。另外，改变TiO₂纳米粒子的形貌，可以将将其制备成纳米棒，纳米线，纳米管，空心球及纤维等。

本发明结合前人的工作，将模板法及溶胶凝胶法结合起来，制备了一种高性能Fe、N共掺杂二氧化钛微球阵列可见光光催化剂。该方法可在常温下合成,可调控凝胶的微观结构，工艺简单，操作方便。该方法制备出的催化剂特别适用于可见光照射下催化降解有机染料(如：罗丹明B)，达到很高的降解率。

发明内容

本发明的目的是制备一种高性能Fe、N共掺杂二氧化钛微球阵列光催化剂的方法，使Fe、N共掺杂的二氧化钛微球阵列光催化剂具有优异的可见光催化性能。

一种Fe、N共掺杂二氧化钛介孔微球阵列可见光光催化剂，其特征在于，Fe、N共掺杂二氧化钛介孔微球为Fe、N共掺杂二氧化钛构成的具有介孔的微球结构，Fe、N共掺杂二氧化钛介孔微球阵列为所述的Fe、N共掺杂二氧化钛介孔微球构成的三维有序的阵列结构。

本发明所述的高性能Fe、N共掺杂二氧化钛微球阵列可见光光催化剂按下述步骤制备：

(1)利用Stobe法合成200～500nm单分散二氧化硅球；

将去离子水、13mol/L的氨水和无水乙醇混合，去离子水：13mol/L的氨水：无水乙醇的体积比为(2～7):(7～10):40，再加入已混合均匀的正硅酸乙酯与乙醇的混合物，正硅酸乙酯与乙醇的混合物中正硅酸乙酯：乙醇的比例为(2～5)g:40ml，于15～30℃搅拌15～24h，反应结束后，用无水乙醇多次清洗，得到200～500nm的单分散二氧化硅微球；优选每2-7ml去离子水对应2～5g正硅酸乙酯；

(2)将步骤(1)得到的二氧化硅微球慢速离心自组装，程序升温加热去除水及无水乙醇，750℃下煅烧，再将其浸泡在引发剂与聚合物单体的混合溶液中，引发剂与聚合物单体的质量比为(0.5～1.5):100，进行聚合，然后去除多余的聚合物，用2～10wt％HF溶液浸泡去除二氧化硅模板，得到聚合物模板；