[发明专利]一种氮掺杂锐钛矿相二氧化钛纳米球的制备方法

说明书

本发明的一种氮掺杂锐钛矿相二氧化钛纳米球的制备方法属于无机材料制备技术领域。所述的制备方法有钛电极制备、充气、开启等离子体加热反应、收集产物等步骤。本发明具有制备工艺简单、制备时间短、制备环境友好、产量大和成本低等优点，制备的氮掺杂锐钛矿二氧化钛纳米球结构稳定性好，结晶性高，纯度高，尺寸分布范围窄且颗粒球形表面光滑，可实现对可见光的响应且稳定性好。

技术领域

本发明属于无机材料制备技术领域，具体来说，涉及一种氮掺杂锐钛矿相二氧化钛纳米球的制备方法。

背景技术

锐钛矿相二氧化钛纳米结构由于具有氧化能力强、良好的稳定性和廉价无毒等众多优点，使其在污水处理、降解有机污染物、空气净化、抗菌、除臭及自清洁功能等方面的应用越来越广泛。虽然二氧化钛是公认的性能优良的光催化剂，但是从实际应用角度考虑，其光催化活性仍有待于进一步提升。这是由于锐钛矿相二氧化钛具有较宽的禁带宽度(3.2eV)，在实际应用中只能吸收可见光中波长较短的紫外线部分(约占太阳光的3-5％)，而不能有效吸收太阳光谱中占绝大多数的可见光部分(45％)，从而造成太阳光利用率较低，限制了其作为光催化剂的应用范围。

为了使锐钛矿相二氧化钛能够吸收可见光，科研工作者对其做了大量的研究改性工作。到目前为止，改性方法主要有元素掺杂改性、贵金属沉积、光敏化和半导体复合等技术手段，实验证明这些方法都可以用来拓宽二氧化钛光响应范围和提高光催化效率。自从2001年，Asahi等人(Science,2001,293,269-271)证明氮掺杂锐钛矿相二氧化钛具有良好的可见光催化性能，从而引起了非金属掺杂二氧化钛研究热潮。这是由于氮杂质会在二氧化钛内部引入杂质能级或者改变价带或导带的位置来改变光生电子-空穴跃迁的途径，从而达到降低激发能量，拓宽二氧化钛光吸收范围和提高二氧化钛光催化活性的目的。同时，研究还证明相比于其它掺杂手段和掺杂元素，氮元素掺杂(由于其离子半径与氧离子半径比较接近)具有更好的稳定性和更强的抗氧化能力，从而成为非金属掺杂锐钛矿相二氧化钛的首选材料。

目前氮掺杂的二氧化钛纳米结构的制备方法有很多，大体可以分为物理法和化学液相法二大类。物理法又可分为化学气相沉积法、磁控溅射法和脉冲激光沉积法等；而化学法又可分为沉淀法、水热法和溶剂热法等。化学液相法制备氮掺杂二氧化钛纳米颗粒一般分为二步，即制备二氧化钛前驱体和高温掺杂后处理过程。显然化学液相法存在着如下缺点：1)作为原料之一的钛源一般是危险有毒性物质，除了价格偏高之外，还有着不利于工业化的使用、保存和运输困难；2)反应时间长，制备过程环境不存好，产生较多的污染物；3)很难得到颗粒分散性好的球形产物，大部分为易团聚的颗粒状。4)高温掺杂过程容易对纳米颗粒结构造成影响，引起二氧化钛晶体结构由光催化活性较高的锐钛矿转换为金红石相的二氧化钛和团聚现象发生。相比于化学液相法，物理法生产的氮掺杂二氧化钛具有晶体结晶性好、晶相纯度高、化学活性高、单分散性好、团聚少和可实现一步法制备的优点，已经成为研究热点。虽然物理法制备二氧化钛取得了很大进展，但是制备成本低，制备时间短，工艺简单重复性好，制备环境友好的操作粒度分布窄，分散性好，满足工业化大规模生产的物理法仍有待进一步发展。

据此，低成本，产量大，环境友好和高品质的氮掺杂二氧化钛纳米球的研发，达到实现纳米材料简易制备和提高材料性能的目的，探索其材料制备方法的绿色化、制备工艺的简单化势在必行。

发明内容

本发明的目的在于克服背景技术存在的不足，提供一种制备工艺简单、可工业化大规模生产、具有可见光响应的氮掺杂锐钛矿相二氧化钛纳米球的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种氮掺杂锐钛矿相二氧化钛纳米球的制备方法，步骤有：

(1)钛电极制备：将钛片加工成同轴磁控等离子加速器系统装置的电极片，再经标准半导体硅片清洗工艺清洗后，将其组装在同轴磁控等离子加速器系统装置中，作为放电负极，充当反应物的钛源；