[发明专利]一种非金属掺杂多孔壁钛纳米管阵列可见光催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种非金属掺杂多孔壁钛纳米管阵列可见光催化剂及其制备方法与应用。通过对镀有金属陶瓷涂层的钛片进行阳极氧化后煅烧，调控其煅烧条件参数，将部分非金属元素以气体形式去除的方法，制备得到非金属掺杂多孔壁钛纳米管阵列可见光催化剂。该光催化剂拥有规整的独立管壁阵列结构以及管壁多级孔道等特殊形貌，可以实现良好的可见光响应、提供快速电子传输通道以及更好的吸附传质性能，其可见光催化性能较光滑管壁的纯钛纳米管阵列显著增强，极大提高了对太阳光的利用效率和光生电子空穴分离能力。所制备的光催化剂能够广泛应用于光催化及光电催化废水治理、大气净化等方面。

技术领域

本发明属于环境功能材料技术领域，具体涉及一种非金属掺杂多孔壁钛纳米管阵列可见光催化剂的制备方法及其在环境治理中的应用。

背景技术

环境和能源是21世纪人类面临和亟待解决的重大问题，以TiO₂为代表的光催化技术以其室温深度反应和可直接利用太阳能作为光源来驱动反应等独特性能，而成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。半导体光催化剂的形貌结构对其发挥最大催化效果有着极其重要的作用。近年来，各种形貌结构的TiO₂如纳米管、线、片、中空球及三维互连结构等材料被开发出来。其中钛纳米管以其大的比表面积、结构高度可控以及具有快速电子通道的特性，受到了研究者的广泛关注。

目前钛纳米管的制备方法主要有阳极氧化、模板水热法以及静电纺丝。相对于模板水热和静电纺丝等制备方法，电化学阳极氧化法工艺简单，可操作性强，并且所制备的TiO₂纳米管生长规则均匀、以垂直独立的阵列形式整齐排列，具有极高的纳米结构有序性和极低的团聚程度、更大的比表面积和更强的吸附能力。然而现有阳极氧化技术大多采用纯钛箔电极为阳极、铂片作为阴极，成本较高，所制备的纯钛纳米管阵列只能被紫外光激发，其致密管壁阻碍光线抵达内管壁导致对太阳光的利用率进一步减少，这些因素大大限制了纳米管阵列的大规模实际应用。同时现有碳、氮等非金属掺杂TiO₂纳米管阵列技术大多采用在含碳源或氮源气氛高温煅烧等后掺杂的方式，不仅对设备要求较高，更容易造成掺杂量不稳定。故利用金属陶瓷涂层实现可见光化掺杂同步在管壁上构建多级孔道将有望解决这一关键问题。

本发明采用镀有碳化钛/氮化钛等金属陶瓷涂层的钛片作为工作电极，以纯钛片作为阴极，在含氟有机电解液中阳极氧化，得到无定形非金属掺杂钛纳米管阵列，在空气中煅烧后，部分非金属以气体形式逸散，在纳米管管壁构建多级孔道，通过调节煅烧条件参数，同步实现具有高催化活性的锐钛矿非金属掺杂多孔壁钛纳米管阵列的简易制备。这种具有多孔管壁的非金属掺杂钛纳米管由于其多级孔道结构的存在，将进一步有利于反应物的吸附与传质，同时也使得入射光能通过管壁的多级孔道进入管道内部从而大幅提高纳米管阵列内表面对光的利用率，另一方面非金属元素的均匀掺杂扩大了其对太阳光的吸收范围，进一步提高其光催化效率。本发明所采用的制备方法将为新型可见光化纳米管阵列材料的制备提供新的思路。

发明内容

本发明的目的在于克服现有阳极氧化技术采用贵金属电极成本高，纯钛纳米管阵列仅对紫外光响应、管壁致密、对太阳光利用率低，以及非金属后掺杂改性技术所面临的对设备要求高、掺杂量不稳定等缺点，提供了一种非金属掺杂多孔壁钛纳米管阵列可见光催化剂的简易制备方法及其在环境治理中的应用。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种非金属掺杂多孔壁钛纳米管阵列可见光催化剂的制备方法，所述催化剂形貌为多孔壁纳米管阵列，具有可见光响应。所述非金属掺杂通过采用镀有碳化钛/氮化钛等金属陶瓷涂层的纯钛片作为工作电极，以纯钛片作为阴极，在含氟有机电解液中阳极氧化实现，所述光催化剂在阳极氧化后置于马弗炉中在空气氛围下煅烧，部分碳/氮以气体形式逸散，从而在纳米管管壁构建出多级孔道。通过调节煅烧条件参数，同步实现掺杂量和孔道尺寸的调节，制备出具有可见光响应的非金属掺杂多孔壁钛纳米管阵列。

一种非金属掺杂多孔壁钛纳米管阵列可见光催化剂的制备方法，包括以下步骤：