[发明专利]一种表面具有高能晶面的氮掺杂二氧化钛的制备方法

说明书

本发明涉及一种表面具有高能晶面的氮掺杂二氧化钛的制备方法，包括：1)将尿素溶解于醇溶剂，四氯化钛和四氟化钛分散到所述醇溶剂中，悬浊液在140‑220℃下进行水热反应，得到固体产物；2)固体产物在180‑300℃下焙烧，得到表面具有高能晶面的氮掺杂二氧化钛。该方法制备的表面具有高能晶面的氮掺杂二氧化钛具有优异的可见光催化性能。

技术领域

本发明涉及二氧化钛的制备领域，具体涉及一种表面具有高能晶面的氮掺杂二氧化钛的制备方法。

背景技术

半导体光催化材料在对抗环境污染和能源短缺的问题上发挥了重要的作用，而如何制备高效的可见光响应的半导体光催化剂则是关键。

TiO₂是最早被报道，也是应用最广泛的光催化剂，它具有廉价、无毒、可长期使用等优点，是现在最成功的光催化剂之一。然而，TiO₂的太阳能利用面临巨大的挑战，主要原因在于光吸收范围窄、电子-空穴对的分离效率低。虽然人们采用了大量的方法包括染料敏化、贵金属沉积、半导体复合、金属离子和非金属离子掺杂等对TiO₂进行改性，然而效果仍不够理想。

相比于阳离子掺杂，阴离子掺杂具有一定优越性，前者由于产生了大量有害的光生电子和空穴的复合中心而降低了量子产率。相比于C和S掺杂，N掺杂对可见光的响应更为有效。如CN 105478151 A公开一种晶相可控的氮掺杂二氧化钛的制备方法：在30-80℃的水浴条件下，将过氧化氢和氨水进行混合，再加入钛的前驱体，进行搅拌，反应0.5-4小时；此后进行干燥、焙烧。该发明公开的氮源为氨水，钛前驱体为四氯化钛或钛酸酯或它们的混合体系。CN 107570193 A公开一种具有高可见光活性氮掺杂N-TiO₂的制备方法，包括以下步骤：将异丙醇和乙酰丙酮混合，然后加入硝酸得到溶液A；在搅拌条件下将钛酸丁酯滴加到溶液A中制得反应前驱物；将反应前驱物和无水乙醇转移至反应釜中，控制反应釜内温度为140-200℃进行醇热反应，反应14-20h；冷却洗涤干燥后得到氮掺杂N-TiO₂。

材料的性能强烈的取决于它的表面。材料表面具有不同的晶面会展现出不同的物理和化学性质。TiO₂晶体各晶面的平均表面能顺序为：γ(110)(1.09J m^-2)>γ(001)(0.90Jm^-2)>γ(100)(0.53J m^-2)>γ(101)(0.44J m^-2)。自然生长的TiO₂晶体主要的暴露晶面为热稳定性高的(101)晶面，相比于(101)晶面，高能晶面的(001)更易与游离吸附物反应。因此，制备表面具有(001)晶面的TiO₂被期待有更高的光催化效率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种表面具有高能晶面的氮掺杂二氧化钛的制备方法，提高氮掺杂二氧化钛的光催化性能。

本发明所提供的技术方案为：

一种表面具有高能晶面的氮掺杂二氧化钛的制备方法，包括：

1)将尿素溶解于醇溶剂，四氯化钛和四氟化钛分散到所述醇溶剂中，悬浊液在140-220℃下进行水热反应，得到固体产物；

2)固体产物在180-300℃下焙烧，得到表面具有高能晶面的氮掺杂二氧化钛。

本发明以尿素为氮源，四氯化钛和四氟化钛为混合钛源。利用两种钛源的协同作用，调控二氧化钛的表面具有更多高能晶面(001)，最终形成表面具高能晶面(001)的氮掺杂二氧化钛。产物形貌为球形颗粒，颗粒粒径分布在50-1000nm，孔径约1-10nm，且具有可见光响应和高光催化活性。

本发明所述步骤1)中醇溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、正丁醇中的一种或几种。作为优选，所述醇溶剂为乙醇。