[发明专利]一种有着可见光响应的TiO2分级结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体光电催化材料的制备方法，特别是一种有着可见光响应的TiO₂分级纳米材料的制备方法。

背景技术

作为一种绿色、清洁、丰富的可再生能源，太阳能的应用前景十分看好，对太阳能的高效利用也也已成为全世界颇为关注的问题。传统的太阳能利用方式主要包括光热、光伏两种，其中光伏的利用效率更好，商业化前景也最好。目前，低成本光伏技术颇为值得关注，典型的有染料敏化太阳电池、钙钛矿太阳电池等。这些低成本光伏技术都需要用到TiO₂这种半导体光催化材料，该材料有着性能稳定、成本低廉、比表面积大、活性高等优点。除光伏电池以外，这种材料还经常用在光解水制氢、光降解污染物等领域。然而过宽的带隙(宽达3.0～3.2eV)使其仅能利用太阳光中极少的一部分紫外光(仅占整个太阳光谱能量的4％)。

TiO₂有着丰富的微纳结构与形貌，例如纳米颗粒、纳米棒、纳米管、纳米中空微球、纳米立方体等，其中最典型的形貌莫过于P25(粒径仅约为25nm的TiO₂纳米粒子)，它已经商业化规模生产，被广泛应用于制备TiO₂基染料敏化太阳电池。对TiO₂的形貌调控以同时增强其比表面积、电荷迁移率已经成为了研究热点。由于具有多层次、多维度、多组分的耦合和协同效应,分级结构纳米材料的设计合成近年来吸引了广泛的关注。例如我们此次报道的TiO₂分级材料就是由若干个单晶纳米薄片有序组装而成，它能够较好地暴露出(001)高能活性晶面，表现出较好的、潜在的光催化(或光电催化)应用价值。

此外，当前主要有几种方法增强TiO₂的可见光响应，如：(1)负载上窄带隙半导体(如CdS、CdSe等)或染料分子；(2)掺杂Fe、Zn、N、C等元素以裁剪带隙；3)对TiO₂进行氢钝化(将细小的TiO₂纳米颗粒置于氢气氛中热处理一段时间使其颜色呈黑色)。然而，这些方法要么稳定性差(容易发生“光腐蚀”)，要么成本相当高昂，要么对可见光响应的提高力度有限。总之，当前尚无一种足够有效的方法增强TiO₂的可见光响应，乃至该材料的可见光催化、光电催化活性。因此，本发明提出利用含F盐作为原料合成出F掺杂TiO₂(即TiO₂:F)，再经退火处理使F元素掺入到晶格里面。这是一种绿色环保、低成本的制备方法，所制备出的产品不仅有着较好的可见光响应，而且产物为单晶结构、比表面积较大，适用于光催化、光解水(作为光阳极使用)等领域。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种有着可见光响应TiO₂分级纳米结构的制备方法，以解决目前常规TiO₂材料低可见光响应、低光电能量转换效率等问题。

技术方案：本发明目的有着可见光响应的TiO₂分级结构的制备方法，包括如下步骤：

(a)将乙酸、氟盐作为反应原料溶解于水中形成澄清的水溶液；

(b)将钛酸四正丁酯逐滴加入澄清的水溶液中，并持续搅拌均匀；

(c)将滴加有钛酸四正丁酯的水溶液转入水热反应釜中，放入烘箱，升温至140～180℃，并保温一段时间；

(d)从反应釜中取出沉淀物质，经过离心或过滤、洗涤、干燥；

(e)将干燥后得到的白色粉末置于马弗炉中，在空气气氛下升温至300～550℃，保温烧结0.5～3h，得到由若干个单晶纳米薄片组成的可见光响应的黄色粉末TiO₂纳米分级结构。

所述乙酸、氟盐作为反应原料的质量比为12:0.22～12:0.26。

所述的乙酸质量百分比浓度为57％-59％。

所述的氟盐质量百分比浓度为1.0％-1.2％；

所述的氟盐为氟化氨、氟化钠、或氟化钾。

所述在空气气氛下升温的最佳温度为400～500℃。

所述的保温一段时间在8h以上。

所述的钛酸四正丁酯质量百分比浓度为1.6％-2.0％。