[发明专利]掺杂金属离子的纳米二氧化钛及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及掺杂金属离子的纳米TiO₂，技术领域属于钛的氧化物C01G 23/04。

背景技术

TiO₂半导体以其优良的抗化学和光腐蚀性能而成为最重要的光催化剂。近一二十年科学家对TiO₂半导体进行了大量的研究，致力于提高其光催化效率，极大地推动了多相光催化研究的迅速发展，到目前为止被认可的TiO₂光催化原理为：纳米TiO₂在紫外光的照下产生的电子空穴对和空气中的水和氧气作用会产生具有超强氧化能力的·OH和O^-，它们可以分解绝大多数有机污染物。虽然纳米TiO₂的光催化原理已经清楚，但是其产生电子空穴对的条件同样比较苛刻，必须在紫外光的作用下才能产生，因此研究如何将激发光源扩展到可见光范围成为广大科研工作者的研究目标之一。因此目前急需改善其光催化效率。

现有提高纳米TiO₂光催化活性的方法通常有以下几种，主要是贵金属离子掺杂、半导体复合、单一金属离子掺杂等方法：

纳米TiO₂表面金属沉积是通过浸渍还原、表面溅射等办法使金属形成原子簇沉积附着在TiO₂的表面。在TiO₂表面沉积少量金属有利于光生电子和空穴的有效分离以及降低还原反应(质子的还原、溶解氧的还原)的超电压，抑制光生载流子的复合，大大提高了催化剂的活性。当纳米TiO₂与金属接触时，电子会从费米能级较高的n型半导体转移到费米能级较低的金属并在界面上形成肖特基势垒，肖特基势垒成为俘获激发电子的有效陷阱，光生载流子被分离，它使半导体表面的电子密度下降从而减少了光生载流子的复合，提高了量子效率。贵金属如Pt，Au，Ag等比较稳定可以满足这方面的要求。

纳米TiO₂复合半导体：复合半导体，即是以浸渍法或混合溶胶法等制备TiO₂的二元或多元复合半导体。复合半导体可分为半导体-半导体复合物和半导体-绝缘体复合物两大类。研究最多的是氧化物敏化TiO₂体系和硫化物敏化TiO₂体系。复合半导体比单个半导体具有更高的催化活性。

非金属掺杂改性也是提高纳米TiO₂光催化性能的有效途径，非金属的掺杂可以提高催化剂对可见光利用范围和对降解物的吸附性能，从而有利于催化降解。常见的非金属掺杂有活性碳掺杂和氮掺杂。

金属离子掺杂是目前研究较多的用于纳米TiO₂光催化性能改性的方法，即是采用高温焙烧或辅助沉积等方法，通过反应将金属离子转入TiO₂晶格结构之中。从化学观点来看，金属离子的掺入可能在半导体晶格中引入缺陷位置或改变结晶度等，成为电子或空穴的陷阱而延长寿命，影响电子与空穴的复合或改变半导体的激发波长，从而改变TiO₂的光催化活性。半导体中掺杂不同的金属离子，引起的变化是不一样的。(卢萍 姚明明 张颖 孙国新 夏光明，过渡金属离子的掺杂对TiO₂光催化活性的影响，感光科学与光化学，第20卷，第3期，185～190)卢萍、姚明明、张颖等考察过渡金属离子掺杂对TiO₂光催化性能的影响，结果发现：第二过渡系列金属离子对TiO₂膜的修饰作用比第一过渡系列金属离子的修饰作用更加明显；第二、六副族的金属离子对TiO₂膜的修饰效果较好。

以上方法都是比较常用的用于纳米TiO₂的改性方法，这些方法对纳米二氧化钛的光催化活性都有一定促进作用，但存在效果提高不明显，成本较高或者工艺复杂的缺陷。如贵金属Pt，Au，Ag掺杂成本高且工艺比较复杂，单一过渡金属掺杂效果不明显。