[发明专利]具有锐钛矿结构的硫掺杂二氧化钛光催化剂水热制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有锐钛矿结构的硫掺杂二氧化钛光催化剂水热制备方法。

背景技术

近几十年来，由于环境污染和能源危机日趋严重，人们为探索新型实用的环保处理技术进行了广泛的研究。半导体光催化技术为这一问题的解决提供了契机，其中二氧化钛以其化学稳定性高、无毒、价格低廉，被认为是最有潜力的一种光催化剂。然而，由于TiO₂禁带宽度大(Eg≈3.0-3.2ev)，其吸收光谱处于近紫外光区(λ＜400nm)，为了提高对太阳光的利用，学者们通过新型窄带隙半导体的合成、半导体复合、染料光敏化、金属离子掺杂、非金属掺杂等方法，把半导体光催化拓展到了λ≥400nm可见光范围。但高温固相反应制备的窄带隙半导体比表面积非常小、染料光敏化容易因染料“漂白”而失活、非金属掺杂主要集中于N掺杂及其可见光催化氧化能力较有限等问题，限制了半导体可见光催化的广泛实际应用。

相对于过渡金属离子掺杂的研究，非金属离子掺杂的研究起步较晚。直到2001年，Asahi等人在science上发表了关于N掺杂TiO₂催化剂的论文，才引起了学术界对非金属离子掺杂光催化的广泛关注。目前用于掺杂改性的非金属元素主要有N、C、S、F、Cl、Br等。非金属离子掺杂TiO₂催化剂不仅提高了量子效率，还把激发波长拓展到了可见光区。

当前硫掺杂纳米TiO₂光催化剂的制备采用的方法有：超声法、水热法、离子注入法、溶胶-凝胶法，但是它们存在以下缺点：溶胶-凝胶法制备的粒子较大，且分散性较差；离子注入法会对晶体造成损坏，从而影响其光电性质和光催化活性，且成本较高；水热法使用的钛源为四氯化钛，且制备出的TiO₂为金红石型，由于金红石型二氧化钛的光催化活性不如锐钛矿型二氧化钛的好，故制备出具有锐钛矿结构的硫掺杂二氧化钛具有良好的发展前景。

发明内容

本发明目的是提供一种稳定、可靠、低成本的具有锐钛矿结构的硫掺杂二氧化钛光催化剂水热制备方法。

包括如下步骤：

1)纳米粉体先驱液的制备：

将8～12mL钛酸丁酯，55～65mL去离子水，15～25mL无水乙醇，5～10mL三乙醇胺，0.38～4.56g硫脲搅拌混合，混合液温度为10℃～40℃，得到纳米粉体先驱液；

2)水热条件下纳米粉体的制备：

将上述纳米粉体先驱液放入反应釜，以1～5℃/min的速度升温至150～240℃保温进行水热反应，经2～5h反应后停止加热，待反应釜自然冷到室温后取出，用去离子水和无水乙醇洗涤3～4次，放入真空干燥箱中于50～80℃干燥，得到具有锐钛矿结构的硫掺杂二氧化钛光催化剂。

本发明具有的有益效果：

1、在水热条件下TiO₂纳米粉体的反应合成和硫离子进入TiO₂的晶格中同步进行，避免了纳米微粒的团聚过程对掺杂剂进入晶格的阻碍，可在高度分散性的情况下对其进行充分掺杂；

2、水热条件下制备的硫掺杂纳米TiO₂粉体为锐钛矿型，与金红石型TiO₂相比，其光催化活性更高；

3、通过选择适当的组成和制备条件，可以控制掺杂浓度和晶粒大小，得到性能稳定的硫掺杂二氧化钛纳米粉体；

4、TiO₂纳米粒子的制备与硫掺杂过程同步实现，使催化剂的制备技术路线更加合理，有利于产品质量控制，并且具有低能耗的优势。

具体实施方式

下面结合实施例作详细说明：

硫掺杂二氧化钛纳米粉体的水热制备方法是利用水热条件制备纳米粉体的方法，使用钛酸丁酯作为钛源，并同步加入作为掺杂剂的硫脲，使其参与纳米二氧化钛粒子形成过程并使硫离子进入到二氧化钛的晶格中，进而得到分散均匀、性能稳定并且具有高可见光催化活性的硫掺杂锐钛矿型二氧化钛纳米粉体。

实施例1

将8mL钛酸丁酯，55mL去离子水，15mL无水乙醇，5mL三乙醇胺，0.38g硫脲搅拌混合，混合液温度为10℃，得到纳米粉体先驱液；

将上述纳米粉体先驱液放入反应釜，以1℃/min的速度升温至150℃保温进行水热反应，经2h反应后停止加热，待反应釜自然冷到室温后取出，用去离子水和无水乙醇洗涤3次，放入真空干燥箱中于50℃干燥，得到具有锐钛矿结构的硫掺杂二氧化钛光催化剂。