[发明专利]高活性氮、锡离子共掺杂纳米二氧化钛光催化剂的制备方法

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氮、锡两种离子掺杂且具有高催化活性的纳米二氧化钛光催化剂的方法。

【背景技术】

目前，在环境光催化研究中，研究最多也被视为最佳的半导体材料是二氧化钛光催化剂。但由于其禁带较宽(3.2eV，锐钛矿晶型)，TiO₂只能被波长小于387nm的紫外光所激发，对可见光的光谱响应差。因此，在太阳能环境光催化研究中，拓宽TiO₂对可见光的响应便成为一项具有理论意义和应用前景的课题。

多年来，从事光催化研究的科学工作者在如何使TiO₂的光响应扩展到可见光区、实现TiO₂可见光催化方面已经做了大量的探索和研究。目前研究最为活跃的当属金属离子(Sn⁴⁺、Au⁺、Cr³⁺等)掺杂、非金属(N、C、S等)离子掺杂、两种非金属离子共掺杂、两种金属离子共掺杂半导体光催化剂等领域。实验研究表明，Sn⁴⁺掺杂属于比较有效的金属离子掺杂方法，可以在TiO₂的导带附近引入非连续定域态能级，使光激发能量小于TiO₂带隙激发所需的能量，从而使吸收谱红移，扩展了其光谱相应范围。相对于其它非金属离子，N掺杂是目前最有效的提高催化剂可见光活性的方法，吸引了大量研究者的目光。尽管Sn⁴⁺掺杂TiO₂和非金属N掺杂TiO₂在可见光激发下，相对于纯的二氧化钛光催化活性有较大提高，但是其光催化效率、可见光的利用率还有进一步提高的空间，其可见光响应机理也还存在很大的争议，需要更加深入的研究。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-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对设备要求高，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、锡两种离子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和单掺氮、单掺锡的二氧化钛，可见光响应获得了增强，同时也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两种离子掺杂高活性二氧化钛催化剂的新方法。它以钛酸酯为前躯体，以含氮化合物、锡盐为掺杂剂，用水解沉淀法制备锐钛矿相的纳米光催化剂。该催化剂的平均粒径为10.6nm，晶形均为锐钛矿相，具有很强的可见光和紫外光催化活性。

本发明有如下优点：本发明用一种非金属离子和一种金属离子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，而且相比于纯TiO₂和单掺氮、单掺锡的TiO₂，紫外光和可见光活性均有较大幅度提高。

【附图说明】

图1实施例1、2和对比样品的X射线衍射图谱；

图2实施例1(TiO2-Sn-N)的紫外光降解对氯苯酚曲线(与对比样品比较)；

图3实施例1(TiO2-Sn-N)的可见光降解对氯苯酚曲线(与对比样品比较)。

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】

在常温下，将钛酸酯加入稀释剂，钛酸酯和稀释剂的体积比为2∶10～5∶10；在剧烈搅拌下，加入一定量的去离子水，水与钛酸酯的体积比为0∶12～1∶12，然后加入水解催化剂，控制溶液的pH＝0.5；搅拌20～40分钟后，缓慢滴入锡盐溶液，钛酸酯与锡盐的摩尔比为40∶1～6∶1；搅拌20～40分钟后再缓慢滴入1ml去离子水，作用是促进进一步的水解；继续搅拌20～40分钟，搅拌均匀，最后加入氨水，钛酸酯与氨水摩尔比为3∶1～0.8∶1，形成沉淀；沉淀物经70℃～120℃烘8～12小时，研磨成粉末，在空气气氛中400℃～500℃煅烧2.0～4.0小时，制得氮、锡两种离子共掺杂的二氧化钛纳米光催化剂。