表面負載氧化鐵的可見光響應型球形二氧化鈦複合光催化劑的製備方法

2023-05-03 05:48:46

專利名稱：表面負載氧化鐵的可見光響應型球形二氧化鈦複合光催化劑的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種光催化劑的製備方法，具體涉及表面負載氧化鐵的可見光響應型球形二氧化鈦複合光催化劑的製備方法。
背景技術：
生產生活中排放的汙染物中包括大量具有三致作用的持久性汙染物，這些有毒有機化合物在常規水處理中具有難降解的特性，對其消除是環境工作者關注的難點。TiO2光催化劑材料在有機汙染物的降解，水和空氣的淨化、殺菌和消毒，生態建築材料等領域有著非常廣泛的應用前景，因而引起了世界各國政府、產業部門和學術界的廣泛興趣和關注。在實際應用中，TiO2光催化材料已用於水和空氣的淨化裝置、自潔玻璃表面塗層、抗菌光催化陶瓷面磚等領域，產生了巨大的經濟、環境和社會效益。雖然TiO2作為光催化材料具備不可比擬的性能優勢，但是在實際應用中還存在很多缺陷，(I)首先TiO2的帶隙較小(3. 2eV)，使得它對光的吸收僅限於紫外區，對太陽能的利用率很低；(2)空穴與電子的重新複合影響半導體的光催化效率。由於這些缺陷的存在，使其光催化效率不是很高，仍然無法滿足實際應用的要求。因此，通過對TiO2改性來提高其光催化活性成為迫切需要解決的問題。

發明內容
本發明的目的是提供一種能促使光生電子和空穴有效分離、提高了光催化活性的表面負載氧化鐵的可見光響應型球形二氧化鈦複合光催化劑的製備方法。本發明具有以下優點
本發明製備的光催化劑具有高效的光催化活性，能夠在太陽光和紫外光下高效光催化降解有毒有害物質，對有機汙染物可完全降解為水和二氧化碳，可應用於多種有機物的光催化降解反應中，降解率均接近100%，具有極大的工業應用價值。本發明製備複合光催化劑的反應條件溫和，反應裝置簡單，製備效率高，對被降解物的純度要求低，且可多次回收利用，成本較低。


圖I為所製備的二氧化鈦微球的掃面照片。圖2為負載氧化鐵的二氧化鈦微球複合光催化劑鐵元素與二氧化鈦的質量比為1:10時的投射電鏡照片。圖3為負載氧化鐵的二氧化鈦微球複合光催化劑鐵元素與二氧化鈦的質量比為
I 10的樣品和純二氧化鈦微球的紫外可見吸收光譜。圖4為負載氧化鐵的二氧化鈦微球複合光催化劑鐵元素與二氧化鈦的質量比為1:10的樣品和純二氧化鈦在500W氙燈照射下對亞甲基藍的降解率曲線。
具體實施例方式
下面結合具體實施方式
對本發明進行詳細的說明。本發明的技術方案是在微米尺度的球形二氧化鈦表面負載納米尺度的氧化鐵顆粒，通過浸潰法製備負載鐵的複合光催化劑。由於二者具有不同的能帶結構，能帶位置不同會產生勢能差，形成了一種異質結構，促使光生電子和空穴的有效分離，從而提高了其光催化活性。本發明所述的表面負載氧化鐵的可見光響應型球形二氧化鈦複合光催化劑的製備方法，由以下步驟實現
步驟一製備二氧化鈦微球配製摩爾濃度為0. IM的鹽溶液；按照鹽溶液鈦酸四丁酯無水乙醇=(0. 3-0.6): (I. 5-2. 5):100的體積比將三者混合，強烈攪拌直至形成二氧化鈦溶膠；靜置24h後用無水乙醇離心、洗滌，在真空條件下於80°C乾燥12h，即製得球形二氧化鈦顆粒；
步驟二 複合光催化劑的製備配製摩爾濃度為0. 01-0. IM的鐵鹽溶液；按鐵元素與二氧化鈦質量比為(0. 001-0. I) : I的比例，將步驟一製備的二氧化鈦微球分散到鐵鹽溶液中；或者按照質量比鐵二氧化鈦去離子水=(0. 001-0. I) : 1:20，先將鐵鹽固體粉末用去離子水溶解後，加入步驟一製備的二氧化鈦粉末；磁力攪拌15min後超聲分散15min ,使二氧化鈦微球完全分散到鐵鹽溶液中，靜置3h後在真空條件下於80°C乾燥24h，之後將所得粉體在300-500°C焙燒2h，即得到表面負載氧化鐵的二氧化鈦複合光催化劑。步驟一中，鹽溶液為氯化鋰溶液、氯化鈉溶液或氯化鉀溶液等的鹼金屬氯化物溶液，且種類不限於此。步驟二中，鐵鹽為氯化鐵、硝酸鐵、硫酸鐵或乙酸鐵。實施例一
步驟一配製摩爾濃度為0. IM的氯化鋰溶液；按照鹽溶液鈦酸四丁酯無水乙醇=0. 3: 1.5:100的體積比將三者混合，強烈攪拌直至形成二氧化鈦溶膠；靜置24h後用無水乙醇離心、洗滌，在真空條件下於80°C乾燥12h，即製得球形二氧化鈦顆粒；
步驟二 配製摩爾濃度為0. OlM的氯化鐵溶液；按鐵元素與二氧化鈦質量比為0. 001:1的比例，將步驟一製備的二氧化鈦微球分散到鐵鹽溶液中；或者按照質量比鐵二氧化鈦去離子水=0. 001:1:20，先將鐵鹽固體粉末用去離子水溶解後，加入步驟一製備的二氧化鈦粉末；磁力攪拌15min後超聲分散15min，使二氧化鈦微球完全分散到鐵鹽溶液中，靜置3h後在真空條件下於80°C乾燥24h，之後將所得粉體在300°C焙燒2h，即得到表面負載氧化鐵的二氧化鈦複合光催化劑。實施例二
步驟一配製摩爾濃度為0. IM的氯化鈉溶液；按照鹽溶液鈦酸四丁酯無水乙醇=0. 4:2:100的體積比將三者混合，強烈攪拌直至形成二氧化鈦溶膠；靜置24h後用無水乙醇離心、洗滌，在真空條件下於80°C乾燥12h，即製得球形二氧化鈦顆粒；
步驟二 配製摩爾濃度為0. 05M的硝酸鐵溶液；按鐵元素與二氧化鈦質量比為0. 01:1的比例，將步驟一製備的二氧化鈦微球分散到鐵鹽溶液中；或者按照質量比鐵二氧化鈦去離子水=0. 01:1:20，先將鐵鹽固體粉末用去離子水溶解後，加入步驟一製備的二氧化鈦粉末；磁力攪拌15min後超聲分散15min，使二氧化鈦微球完全分散到鐵鹽溶液中，靜置3h後在真空條件下於80°C乾燥24h，之後將所得粉體在400°C焙燒2h，即得到表面負載氧化鐵的二氧化鈦複合光催化劑。實施例三
步驟一配製摩爾濃度為0. IM的氯化鈉溶液；按照鹽溶液鈦酸四丁酯無水乙醇=0. 5:2:100的體積比將三者混合，強烈攪拌直至形成二氧化鈦溶膠；靜置24h後用無水乙醇離心、洗滌，在真空條件下於80°C乾燥12h，即製得球形二氧化鈦顆粒；
步驟二 配製摩爾濃度為0. 05M的硫酸鐵溶液；按鐵元素與二氧化鈦質量比為0. 01:1的比例，將步驟一製備的二氧化鈦微球分散到鐵鹽溶液中；或者按照質量比鐵二氧化鈦去離子水=0. 01:1:20，先將鐵鹽固體粉末用去離子水溶解後，加入步驟一製備的二氧化鈦粉末；磁力攪拌15min後超聲分散15min，使二氧化鈦微球完全分散到鐵鹽溶液中，靜置3h 後在真空條件下於80°C乾燥24h，之後將所得粉體在400°C焙燒2h，即得到表面負載氧化鐵的二氧化鈦複合光催化劑。實施例四
步驟一配製摩爾濃度為0. IM的氯化鉀溶液；按照鹽溶液鈦酸四丁酯無水乙醇=0.6: 2. 5:100的體積比將三者混合，強烈攪拌直至形成二氧化鈦溶膠；靜置24h後用無水乙醇離心、洗滌，在真空條件下於80°C乾燥12h，即製得球形二氧化鈦顆粒；
步驟二 配製摩爾濃度為0. IM的乙酸鐵溶液；按鐵元素與二氧化鈦質量比為0. I: I的比例，將步驟一製備的二氧化鈦微球分散到鐵鹽溶液中；或者按照質量比鐵二氧化鈦去離子水=0. 1:1:20，先將鐵鹽固體粉末用去離子水溶解後，加入步驟一製備的二氧化鈦粉末；磁力攪拌15min後超聲分散15min ,使二氧化鈦微球完全分散到鐵鹽溶液中，靜置3h後在真空條件下於80°C乾燥24h，之後將所得粉體在500°C焙燒2h，即得到表面負載氧化鐵的二氧化鈦複合光催化劑。本發明所涉及的二氧化鈦微球的粒徑為200nm_2 U m,晶型為銳鈦礦型。表面負載的氧化鐵粒徑為10nm-100nm。圖I為所製備的二氧化鈦微球的掃面照片，從同種可以看到二氧化鈦微球直徑大約為500nm表面光滑。圖2為負載氧化鐵的二氧化鈦微球複合光催化劑鐵元素與二氧化鈦的質量比為1:10時的投射電鏡照片，從圖中可以看到氧化鐵晶粒負載在二氧化鈦微球表面，已接近形成一種核殼結構。圖3為負載氧化鐵的二氧化鈦微球複合光催化劑鐵元素與二氧化鈦的質量比為1:10的樣品和純二氧化鈦微球的紫外可見吸收光譜，從圖中可以看到複合光催化劑的光響應範圍發生了明顯的紅移，在可見光區(>400nm)範圍內有一定的吸收。實現了催化劑在可見光區的響應。圖4為負載氧化鐵的二氧化鈦微球複合光催化劑鐵元素與二氧化鈦的質量比為1:10的樣品和純二氧化鈦在500W氙燈照射下對亞甲基藍的降解率曲線，從中可以看出氧化鐵顆粒的負載大大提高了二氧化鈦在可見光條件下的光催化性能。
權利要求
1.表面負載氧化鐵的可見光響應型球形二氧化鈦複合光催化劑的製備方法，其特徵在於 由以下步驟實現 步驟一製備二氧化鈦微球配製摩爾濃度為O. IM的鹽溶液；按照鹽溶液鈦酸四丁酯無水乙醇=(O. 3-0.6): (I. 5-2. 5): 100的體積比將三者混合，強烈攪拌直至形成二氧化鈦溶膠；靜置24h後用無水乙醇離心、洗滌，在真空條件下於80°C乾燥12h，即製得球形二氧化鈦顆粒； 步驟二 複合光催化劑的製備配製摩爾濃度為O. 01-0. IM的鐵鹽水溶液；按鐵元素與二氧化鈦質量比為(O. 001-0. I) :1的比例，將步驟一製備的二氧化鈦微球分散到鐵鹽溶液中；或者按照質量比鐵二氧化鈦去離子水=(O. 001-0. I) : 1:20，先將鐵鹽固體粉末用去離子水溶解後，加入步驟一製備的二氧化鈦粉末；磁力攪拌15min後超聲分散15min ,使二氧化鈦微球完全分散到鐵鹽溶液中，靜置3h後在真空條件下於80°C乾燥24h，之後將所得粉體在300-500°C焙燒2h，即得到表面負載氧化鐵的二氧化鈦複合光催化劑。
2.根據權利要求I所述的表面負載氧化鐵的可見光響應型球形二氧化鈦複合光催化劑的製備方法，其特徵在於 步驟一中，鹽溶液為氯化鋰溶液、氯化鈉溶液或氯化鉀溶液。
3.根據權利要求I或2所述的表面負載氧化鐵的可見光響應型球形二氧化鈦複合光催化劑的製備方法，其特徵在於 步驟二中，鐵鹽為氯化鐵、硝酸鐵、硫酸鐵或乙酸鐵。
4.根據權利要求3所述的表面負載氧化鐵的可見光響應型球形二氧化鈦複合光催化劑的製備方法，其特徵在於 所述的二氧化鈦微球的粒徑為200nm-2 μ m，晶型為銳鈦礦型。
5.根據權利要求4所述的表面負載氧化鐵的可見光響應型球形二氧化鈦複合光催化劑的製備方法，其特徵在於 所述的表面負載的氧化鐵粒徑為10nm-100nm。
全文摘要
本發明涉及一種表面負載氧化鐵的可見光響應型球形二氧化鈦複合光催化劑的製備方法。TiO2作為光催化材料具備不可比擬的性能優勢，但TiO2帶隙較小，對光的吸收僅限於紫外區；空穴與電子的重新複合影響半導體的光催化效率。本發明將鹽溶液、鈦酸四丁酯、無水乙醇混合攪拌形成二氧化鈦溶膠，靜置、離心、洗滌、真空乾燥製得球形二氧化鈦顆粒；再將二氧化鈦微球分散到鐵鹽溶液中，磁力攪拌、超聲分散、真空乾燥、焙燒得到產品。本發明製備的光催化劑具有高效的光催化活性，能高效光催化降解有毒有害物質，對有機汙染物可完全降解為水和二氧化碳，可應用於多種有機物的光催化降解反應中，降解率均接近100%，具有極大的工業應用價值。
文檔編號B01J35/08GK102631923SQ20121010301
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月10日 優先權日2012年4月10日
發明者何選盟, 劉輝, 朱振峰, 李軍奇, 王德方, 郭佔雲 申請人:陝西科技大學