[发明专利]一种提高可见光活性的C、N共掺杂TiO2

说明书

本发明公开了一种提高可见光活性的C、N共掺杂TiO₂光催化剂及其制备方法，其中，所述方法包括步骤：先制备植物蛋白质的醇/水解液，然后在钛酸丁酯的乙醇溶液中先滴加所述植物蛋白质的醇/水解液，反应预定时间后再加入预定量的植物蛋白质的醇/水解液，陈化后经水热反应直接得到C、N共掺杂的锐钛矿TiO₂光催化剂。本方法采用廉价、天然可再生的植物蛋白质作为碳、氮来源，其制备流程简单，无需煅烧、一次水热反应获得C、N同时掺杂的锐钛矿型TiO₂，C、N同时掺杂增大了TiO₂对可见光的吸收和响应强度，提高了光生电子‑空穴的分离效率，促进了可见光下的光催化反应。

技术领域

本发明涉及光催化剂领域，尤其涉及一种提高可见光活性的C、N共掺杂TiO₂光催化剂及其制备方法。

背景技术

TiO₂（二氧化钛）具有无毒、成本低、氧化-还原性强及化学性质稳定等优良特性，是目前最广泛使用的半导体光催化材料。TiO₂的三种晶型（锐钛矿、金红石、板钛矿）中，板钛矿光催化性能最差，金红石次之，而锐钛矿的光催化效果最好。然而，锐钛型TiO₂的禁带宽为3.2eV，只有在波长≤378.5nm光（紫外光）照射下才能发生电子跃迁产生光生电子和空穴从而表现出光催化活性，而紫外光仅占太阳光辐射能量的4~6％，这导致TiO₂对太阳光能量的利用率非常低；此外，TiO₂也存在光生电子和空穴表面复合率高的问题。因此，开发具有高效可见光响应、低光生电荷复合率的TiO₂具有重要意义。

使TiO₂具有可见光响应活性的改性方法主要有染料敏化、金属和非金属元素掺杂等。自从2001 年文献报道（Science, 2001, 293: 269-271）氮替代少量晶格氧的TiO₂既保持了紫外光活性又具有可见光活性以来，N 、C 、S 、F 等非金属掺杂TiO₂光催化剂迅速引起了国内外学者的广泛关注和研究。掺杂后的TiO₂其光活性可由紫外区域扩展到可见光区域，还可以阻止光生电子和空穴复合。其中，N掺杂TiO₂光催化剂的研究最受瞩目。

目前制备N掺杂 TiO₂的方法有溅射法、水解沉淀法、溶胶凝胶法等，溅射法需要特殊设备，且需在真空下操作。水解沉淀和凝胶溶胶法通常都是先制备前驱体再进行焙烧热处理得到产品；此外为得到锐钛矿型TiO₂，在热处理过程中温度需要低于500℃（锐钛矿为低温稳定相，500~600℃会转变为金红石）从而有可能影响掺杂效果。氮源多采用氨（或铵离子）、尿素、三乙胺、N-甲基甲酰胺等。如专利“氮氟掺杂二氧化钛光催化剂及其在可见光降解有机污染物中的应用”(CN 102350369B) 以氨水和氢氟酸为N、F来源，采用溶胶-凝胶法合成前驱体后，在马弗炉中400~ 500℃焙烧40min ~ 1.5h，得到了氮氟掺杂TiO₂光催化剂，该催化剂在可见光照射下对酸性红B 等有机污染物具有显著的降解能力。专利“作为可见光谱中吸收剂的TiO₂材料及其生产方法”（CN 106170338 A）以N-甲基甲酰胺( NFA )为氮源采用凝胶煅烧法得到包括至少60wt.％形式为锐钛矿的TiO₂以及微量的元素碳和/或元素氮，该材料可用于在可见光谱的辐射下降解空气或水中的污染物，并把水解离为氢气。由于现有方法均以化工产品为氮源，且最后都需要煅烧（焙烧）处理得到产品，这使得现有的非金属掺杂TiO₂光催化剂制备方法污染较大，且制备条件较苛刻。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容