[发明专利]一种具有空心结构的N-TiO2光催化剂制备方法

说明书

本发明公开了一种具有空心结构的N‑TiO₂光催化剂制备方法，属于光催化技术领域。以1‑丁基‑3‑甲基咪唑四氟硼酸盐的离子液体作为溶剂、微波吸波剂及氟源、氮源，在微波辅助热条件下，合成具有空心结构的二氧化钛，后将得到的混合物置于惰性气体气氛中煅烧，利用离子液体中的氮源对合成的TiO₂进行掺杂修饰，制备具有空心结构的N‑TiO₂。该催化剂对于水体环境中的污染物具有良好的催化降解净化效果。

技术领域

本发明涉及环境治理领域的光催化技术，特别涉及一种利用离子液体制备具有空心结构的N-TiO₂光催化剂。

背景技术

通过利用低能量密度的太阳光能，半导体光催化材料可以实现降解污染物等高级氧化过程以及光解水产氢等制取清洁能源过程，具有巨大的应用潜力。近几十年来，国内外的科研工作者对以TiO₂为基础的光催化剂进行了大量的研究，并取得了巨大的进展。但仍然存在着以下几个方面的问题：(1)光谱响应范围较窄，TiO₂作为一种宽带半导体，其禁带宽度为3.2 eV，这就决定了它只能利用占太阳光谱不到5%的紫外光，对太阳能的利用率比较低。(2)量子产率较低，TiO₂在光激发过程中，光生电子与空穴复合几率较高，直接导致了催化过程中的量子产率较低。在这种背景下，迫切需要提高二氧化钛的量子效率和扩展其光响应范围。

为了提高传统半导体光催化剂（如TiO₂）的光催化活性，人们探索了许多方法使其带隙宽度变窄，提高材料对可见光的吸收性能。近年来研究表明，在传统半导体中掺杂非金属元素的改性方法可以有效地改善半导体材料对可见光的响应特性，且不容易形成光生电子-空穴复合中心。2001年Asahi等研究人员在《Science》上首次报道了N掺杂的TiO₂光催化剂在紫外光和可见光条件下均有较高的反应活性。Burda等人采用在室温下直接氨化TiO₂纳米离子的方法制备了N掺杂的TiO₂催化剂，使TiO₂中氮的掺杂含量提高至8%。傅正义等人在中国专利（CN 104014357A）中提出利用生物活体的外套膜液同时作为生物模板和氮源，调节 TiO₂的微观结构和晶型，在低温下成功制备出氮掺杂的 TiO₂粉体。

通常而言，催化剂的结构形貌特征影响着催化剂的性能，即使组分相同但形貌结构不同的催化剂，也会在物化特质上表现出巨大的差异。目前，科研人员研究发现TiO₂在形貌、尺寸和暴露的晶面上的改变，对催化剂的催化性能产生巨大的影响。例如：Ren等研究人员在HF环境下以微波加热的方式对TiOCl₂前驱体加热后，获得了具有内部孔结构的TiO₂。Jiao等研究人员在利用PO₄^3-/F^-作为形貌控制剂合成具有空心结构的二氧化钛单晶，与实心的二氧化钛单晶材料相比，合成的空心材料在光解水和光还原CO₂方面展现出更高的催化活性。综合以上讨论，如果能将二氧化钛的空心结构形貌与氮掺杂修饰方法相结合，那么二氧化钛的光催化活性可得到进一步提升。

发明内容

本发明提供了一种具有空心结构的N-TiO₂光催化剂制备方法，以期获得高催化活性和高稳定性的TiO₂光催化剂。

所述光催化剂的制备方法利用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim][BF₄])离子液体作为溶剂，在微波水热条件下反应1小时，合成具有空心结构的TiO₂，之后在无氧环境下煅烧，制备具有空心结构的N-TiO₂。其技术方案包括以下步骤：

（1）将冰乙酸、去离子水和离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[Bmim][BF₄]）依次加入烧杯中，记为混合液A；