[发明专利]一种制备三元素掺杂高活性二氧化钛催化剂的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种二氧化钛纳米粉体催化剂的制备方法，属于催化技术领域，更加具体的是本发明提供了一种制备三种元素掺杂且具有高催化活性的二氧化钛纳米光催化剂的方法。

【背景技术】

21世纪，资源日渐匮乏、能源渐趋短缺和环境污染日益严峻，这些已成为当今世界所面临主要问题和挑战。为了实现可持续发展以及生态环境、人类生存和社会发展的和谐统一，必须要求人类对这些问题和挑战采取积极措施，这就使得污染防治成为了一个全球性的课题。近几十年来，人们对光化学降解污染物的研究不断涌现和深入，其中半导体光催化由于具有生物降解不可比拟的速度快、无选择性、降解完全等优点，而备受人们的关注。1972年Fujishima和Honda首次发现在近紫外光(380nm波长的光)的作用下，金红石相二氧化钛单晶电极能使水在常温下发生分解反应，开创了二氧化钛半导体多相光催化的研究；而人们第一次清楚的认识到二氧化钛光催化剂对有机污染物的矿化功能则始于1983年Ollis等人的工作，他们在TiO₂敏化的体系中发现了卤化有机物如三氯乙烯、二氯甲烷等的光致矿化。由于这一功能可能为治理环境污染提供新的方法和手段，所以立即成为半导体光催化研究中最为活跃的领域。于是，在众多半导体光催化剂中，二氧化钛因具有较宽的禁带宽度、氧化能力强、催化活性高、无毒、价廉，以及生物、化学、光化学稳定性好等优势，而一直处于光催化研究中的核心地位。

对二氧化钛光催化剂的研究已经进行了三四十年，目前仍然方兴未艾，而且二氧化钛的研究和应用领域也在不断扩展，但是TiO₂的禁带宽度为3.0～3.2eV，只能被波长较短的紫外光激发，而紫外光在太阳光中只占5％左右，导致利用太阳光进行光催化的效率很低。为此，人们在提高TiO₂可见光响应方面做出了许多努力。其中最主要的途径之一就是掺杂，包括过度金属、稀土金属掺杂等，这些掺杂形式降低了半导体带隙，一定程度上扩展了光响应范围，但是另一个问题是，不论是填隙式的掺杂还是置换式掺杂，很多时候都在TiO₂晶体中增加了电子空穴复合几率，导致催化剂的可见光催化能力增强，而紫外光催化能力下降。

同时掺杂的方法有溶胶一凝胶法、水热合成法、气相沉积法、离子束溅射法等，这些方法一般存在成本高或设备要求高，难以实现工业化规模生产的问题。

【发明内容】

本发明的目的旨在为克服现有技术的不足，而提供一种制备氮、铟、锡三元素掺杂锐钛矿相的高活性二氧化钛纳米光催化剂的方法，该方法使用的设备简单，易于操作，制备出的光催化剂相比于纯二氧化钛，可见光响应获得极大增强，同时也大幅提高了紫外光催化能力。

本发明为实现上述目的，所采用的方案是设计一种制备三元素掺杂高活性二氧化钛催化剂的新方法。它以钛酸酯或钛酸盐为前驱体，以氨水、铟盐、锡盐为掺杂剂，用水解沉淀法制备锐钛矿相的二氧化钛催化剂。该催化剂的平均粒径为9.5nm，晶形均为锐钛矿相，具有很强可见和紫外光催化活性。

本发明有如下优点：本发明用一种非金属元素和两种金属元素共掺杂制备二氧化钛催化剂，具有很高的光催化活性，在环境科学与工程应用领域有很大的应用潜力。本发明工艺简单，对设备要求较低，产品粒径较小，比表面积大，分散性好，均为锐钛矿相，而且相比与纯TiO₂，紫外光和可见光活性均有大幅提高。

【附图说明】

图1实施例1的X射线衍射图谱；

图2实施例1、2、3、4、5的紫外光降解对氯苯酚曲线(与纯TiO₂比较)；

图3实施例1、2、3、4、5的可见光降解对氯苯酚曲线(与纯TiO₂比较)；

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步描述。

【具体实施方式】

本发明的具体制备方法如下：在常温下，将钛酸酯或钛酸盐加入稀释剂，钛酸酯或钛酸酯盐和稀释剂的体积比为1∶10～5∶10；在剧烈搅拌下，加入水解催化剂；然后每隔15分钟，依次加入铟盐和锡盐溶液，钛酸酯或钛酸酯盐与铟盐的摩尔比为100∶0.1～100∶5，钛酸酯或钛酸酯盐与锡盐摩尔比为100∶1～100∶10；搅拌均匀，最后加入氨水，钛酸酯或钛酸酯盐与氨水摩尔比为100∶100～10∶100，形成沉淀；沉淀物经70℃～120℃烘干，研磨成粉末，在空气气氛中400℃～500℃煅烧2.0～4.0小时，制得氮、铟、锡三元素掺杂的二氧化钛纳米光催化剂。