一種製備複合二氧化鈦光催化材料的方法
2023-05-15 21:09:41
專利名稱：一種製備複合二氧化鈦光催化材料的方法
技術領域：
本發明涉及一種複合二氧化鈦光催化材料的製備方法，屬於無機非金屬材料領域。
背景技術：
隨著工業的發展，環境破壞日益嚴重，人們經過探索已經建立了許多治理環境汙染物的方法，其中納米半導體光催化劑倍受青睞。這類光催化劑具有降解速度快、無選擇性、深度氧化完全、能有效利用廉價太陽光和空氣(水相)中的氧分子等優點。
二氧化鈦是一種半導體納米光催化劑，具有良好的禁帶寬度(禁帶寬度3.2eV)、氧化能力強，催化活性高，無毒，生物、化學、光化學穩定性好等優點，可用於汙水處理、空氣淨化、滅菌消毒、能源材料等領域。但TiO2半導體的光響應範圍較窄，只能利用小於387nm波長的紫外光(紫外光僅佔太陽光能量的4％)，而在可見光下則沒有光催化性(可見光佔太陽光45％左右的能量)，難以有效利用太陽光；另外，半導體光生電子/空穴對的複合機率較高，激發態價帶空穴和導帶電子極易通過以下途徑失活重新複合、被亞穩態的表面捕獲、遷移到粒子表面與吸附的其他的電子給體或受體發生氧化還原反應。因此，需要對TiO2進行改性以提高其光催化活性，擴展光響應範圍。
發明內容
本發明的目的是以銳鈦礦型氧化鈦為基體，提供一種製備複合二氧化鈦光催化材料的方法，通過對二氧化鈦催化劑改性，即改變粒子結構與表面性質，從而擴大光響應範圍，抑制載流子複合以提高量子效率，提高光催化材料的穩定性。
半導體可以做光催化劑是因為它們的電子結構中有滿價帶和空導帶，當光子的能量hv等於或大於帶能隙Eg時，電子將從價帶轉移到導帶從而留下一個空穴。如果有合適的表面缺陷點存在，它可以捕捉電子或空穴，進而阻止電子/空穴複合，發生氧化還原反應。半導體的光吸收閥值與帶隙具有下式的關係，從式中可知，常用的寬帶隙半導體的吸收波長閥值大都在紫外區域。
g(nm)=1240Eg(eV)]]>本發明採用溶膠-凝膠法利用鈦鹽製備銳鈦礦型TiO2前驅體，在前驅體中添加鎢鹽和釩鹽，對混合物進行焙燒得WO3-V2O5/TiO2複合光催化材料。具體工藝過程及條件為取鈦鹽和無水乙醇(溶劑)，混合，分散均勻，按照鈦鹽與水摩爾比為1∶2～10加入去離子水使之水解，攪拌，水解過程用氨水控制反應體系的pH值為鹼性。攪拌製得的溶膠在室溫下陳化成幹凝膠。將幹凝膠用去離子水和無水乙醇過濾、洗滌、烘乾後得到TiO2前驅體。按照質量百分比鎢鹽5～10％，釩鹽8～15％，餘量為TiO2前驅體，混合，在450～600℃下焙燒2～6小時，即可得到顆粒大小均勻，粒徑約為100nm的WO3-V2O5/TiO2複合光催化材料。
所述的鈦鹽有四氯化鈦、硫酸氧鈦、硫酸鈦、鈦醇鹽(鈦酸丁酯、鈦酸異丙酯)。所述的鎢鹽有鎢酸銨、鎢酸鈉、仲鎢酸銨、偏鎢酸銨等。所述的釩鹽有偏釩酸銨、偏釩酸鈉、多釩酸銨等。無水乙醇因其廉價、無汙染，因此是最好的溶劑。
本發明與現有工藝技術相比具有以下優點(1)本發明是採用溶膠-凝膠法和簡單焙燒結合的一種新穎的製備納米粉體方法，技術相對簡單，操作容易，對設備要求低，故能較大降低成本。
(2)本發明製得的銳鈦礦型複合TiO2，與金紅石型、板鈦礦型、銳鈦礦型TiO2相比，表現出更高的光催化能力。銳鈦礦型氧化鈦複合WO3和V2O5實際上是對TiO2顆粒的修飾，可提高系統的電荷分離效果，擴展TiO2光譜響應範圍。所得的產品顆粒大小均勻，光響應範圍擴大，將在水汙染處理、廢氣治理、滅菌消毒等領域表現出更廣泛的應用。
圖1WO3-V2O5/TiO2複合光催化材料的XRD圖；圖2WO3-V2O5/TiO2複合光催化材料的UV-vis圖；圖3WO3-V2O5/TiO2複合光催化材料的SEM圖。
具體實施例方式
1.取10ml鈦酸丁酯(分析純)和10ml無水乙醇混合，用超聲波分散10min。將混合液用在集熱式恆溫磁力攪拌器攪拌，將5ml去離子水逐滴滴加進混合液中，用氨水控制反應初始的pH值為10。攪拌兩個小時後，將得到的溶膠在室溫下陳化24h。然後將陳化的幹凝膠在循環水式真空泵中用去離子水和無水乙醇分別過濾、洗滌兩次，在電熱恆溫鼓風乾燥箱中80℃下烘乾後得到TiO2前驅體。按照WO3∶V2O5∶TiO2＝8％∶12％∶80％(質量百分比)取鎢酸銨、偏釩酸銨和TiO2前驅體，用瑪瑙研缽研磨10min。在箱形電阻爐500℃下焙燒4h，即可得到WO3-V2O5/TiO2複合光催化材料。
製得產品的XRD圖如圖1所示，產品的UV-vis曲線如圖2所示，SEM圖如圖3所示，EDS數據如表1所示。表1 WO3/V2O5/TiO2複合光催化材料的EDS數據
從XRD圖上可以看到有銳鈦礦型TiO2，WO3和V2O5的衍射峰，這說明所得產品中含有上述三種物質，達到了製備目的。最大的衍射峰位於25.27°，是TiO2100晶面的衍射峰，同時結合EDS數據，WO3∶V2O5∶TiO2的質量百分比為7.89％∶12.41％∶79.70％，這個比值與預定實驗方案相符。通過Scherrer公式計算產物的粒徑為16.97nm。
從產物的UV-vis圖上可以看到產品的吸收波長閥值在435nm左右，根據前文所述公式可計算出產品的帶隙Eg為2.85eV，這一帶隙值小於TiO2的帶隙值(3.2eV)，因此可以說我們的產品優於TiO2的光催化性能，並有可能成為可見光激發的光催化劑。
從SEM圖上可以看到，產物表面有許多微小孔洞，與TiO2相比，產物有大的比表面積，活性點增加，吸附性能更好。這預示著我們的產品將有更高的光催化活性。
權利要求
1.一種製備複合二氧化鈦光催化材料的方法，其特徵在於採用溶膠-凝膠法利用鈦鹽製備銳鈦礦型TiO2前驅體，在前驅體中添加鎢鹽和釩鹽，對混合物進行焙燒得WO3-V2O5/TiO2複合光催化材料；具體工藝過程及條件為取鈦鹽和無水乙醇，混合，分散均勻，按照鈦鹽與水摩爾比為1∶2～10加入去離子水使之水解，攪拌，水解過程用氨水控制反應體系的pH值為鹼性；製得的溶膠在室溫下陳化成幹凝膠，將幹凝膠用去離子水和無水乙醇過濾、洗滌、烘乾後得到TiO2前驅體；按照質量百分比鎢鹽5～10％，釩鹽8～15％，餘量為TiO2前驅體，混合，在450～600℃下焙燒2～6小時，即可得到顆粒大小均勻，粒徑約為100nm的WO3-V2O5/TiO2複合光催化材料；所述的鈦鹽有四氯化鈦、硫酸氧鈦、硫酸鈦、鈦醇鹽；所述的鎢鹽有鎢酸銨、鎢酸鈉、仲鎢酸銨、偏鎢酸銨等；所述的釩鹽有偏釩酸銨、偏釩酸鈉、多釩酸銨等。
全文摘要
一種製備複合二氧化鈦光催化材料的方法，本發明採用溶膠－凝膠法利用鈦鹽製備銳鈦礦型TiO
文檔編號B01J37/03GK1799688SQ20051003111
公開日2006年7月12日 申請日期2005年1月7日 優先權日2005年1月7日
發明者楊華明, 胡嶽華, 張科, 史蓉蓉, 唐愛東 申請人:中南大學