[发明专利]一种复合纳米结构二氧化钛光催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种复合纳米结构二氧化钛光催化剂及其制备方法，它是锐钛矿相二氧化钛量子点自组装生长在金红石相二氧化钛一维纳米棒表面，形成锐钛矿(112)晶面与金红石相(110)晶面相接触的异质结界面，构成复合纳米结构二氧化钛光催化剂；制备方法是采用水热法，以盐酸、去离子水、无水乙醇和钛酸丁酯为原料，在不同酸性和温度条件下制备了锐钛矿相二氧化钛量子点和金红石相二氧化钛一维纳米棒及其不同比例的混合。通过调控制备条件实现了锐钛矿相二氧化钛量子点在一维金红石二氧化钛纳米棒{110}的表面自组装生长，大幅提高二氧化钛催化剂光催化分解水制取氢气的性能，优于商用光催化P25的产氢性能。本发明制备方法简单，制备条件可控，生产成本低，绿色环保。

技术领域

本发明涉及一种复合纳米结构二氧化钛光催化剂及其制备方法，主要应用于光催化分解水制取氢气，属于半导体光催化技术和氢气能源领域。

背景技术

能源和环境问题一直是人类所面对的最大问题。近年来，化石燃料的枯竭以及化石燃料燃烧所引起的环境问题越来越促使人们去寻找一种可持续且清洁的能源。氢气由于它本身是一种高效能源，并且生成的反应物水可以重复利用，成为新型清洁能源的最佳选择。工业上氢气的大量生产主要来自于化石能源，这种方法既不环保也不经济。因此，研究者致力于开发一种可持续且经济的产氢手段。自从1972Fujishima与Honda发现了水在Ti0₂电极上可光催化分解的现象以来，光催化分解水凭借其清洁、低成本以及环境友好的特点，已经成为一种具有很大发展前景的利用太阳能产氢的新途径。

作为一种典型的半导体光催化剂，纳米结构的二氧化钛以其结构稳定、环境友好、容易获得且价格便宜的特点被广泛用于光催化降解有机物和光催化制氢。P25是目前商业生产的公认光催化效率较好的产品。如何进一步提高光催化制氢效率，以满足新能源的需求，是一个十分前沿的课题。

发明内容

本发明的目的是针对现有二氧化钛光催化剂效率不高或制备工艺复杂而提出一种简单可控的，成本较低，且光催化效率高的二氧化钛光催化剂及其制备工艺。

本发明提供的一种复合纳米结构二氧化钛光催化剂为锐钛矿相二氧化钛量子点自组装生长在金红石相二氧化钛一维纳米棒表面，形成锐钛矿(112)晶面与金红石相(110)晶面相接触的异质结界面，其中锐钛矿在复合相中质量占比为6％～30％。质量占比最优为12％～15％。

本发明的制备方法主要通过控制酸性和温度条件，一步水热制备出锐钛矿量子点在一维金红石纳米棒表面自主装生长的高效光催化剂。

本发明的具体制备步骤如下：

1)配置前驱体溶液，其组分为：浓度为37％的浓盐酸10～15ml、去离子水135ml，浓度为98％的钛酸丁酯10ml；

2)将盐酸和水搅拌均匀后，滴加10ml钛酸丁酯并充分搅拌，将搅拌均匀的前驱体溶液倒入反应釜中，180℃水热反应10～20hrs；

3)待反应釜自然冷却到室温后，将样品取出，清洗粉末至中性，烘干，研磨，即得到二氧化钛粉末光催化剂。

本发明的最佳参数的制备步骤如下：

1、配置前驱体溶液，其组分为：浓盐酸13ml(浓度为37％)、去离子水135ml，钛酸丁酯(浓度为98％)10ml；

2、将盐酸和水搅拌均匀后，滴加10ml钛酸丁酯并充分搅拌。将搅拌均匀的前驱体溶液倒入反应釜中，180℃水热反应12hrs；

3、待反应釜自然冷却到室温后，将样品取出，清洗粉末至中性，烘干，研磨，即得到二氧化钛粉末光催化剂。

本发明具有明显的优点，方法简单可控，成本较低，且光催化效率高。

附图说明