[发明专利]高活性非金属离子共掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法

说明书

【技术领域】

本发明属于光催化技术领域，主要应用于环境净化，为利用光催化技术降解水和大气中的污染物提供了一种制备具有两种非金属元素共掺杂的高活性的二氧化钛光催化剂的方法。

【背景技术】

当今世界能源危机和环境恶化迫使人们寻找更清洁、可再生的新能源和治理环境的新方法。二氧化钛具有稳定性好、光电转换效率和光催化活性高等特点，不但能作为光催化剂无选择性地降解有机污染物和去除过渡金属离子，而且是表面敏化太阳能电池的光导材料，在环境治理和清洁能源的研究领域具有广泛的的应用前景。

但是，纯TiO₂(锐钛矿型)的禁带宽度为3.2eV(387.5nm)，只能吸收太阳光中的紫外光部分(仅占太阳光的4％)，光谱响应范围窄，对太阳能的有效利用率低。近年来，人们为提高TiO₂可见光响应和光催化活性做出了许多努力，其中最主要的途径之一就是TiO₂的金属或非金属离子掺杂。2001年，Asahi等人在《科学》杂志(Science，2001，293：269-217)上报道了氮离子掺杂的TiO₂可见光催化剂具有较高的紫外-可见光催化活性，该研究结果证明，非金属离子掺杂(如N、C、S、B和F等)可以增加TiO₂催化剂可见光的吸收，有效地提高TiO₂催化剂的紫外-可见光催化效率，从而在国内外引起了人们的高度关注。相关专利已有报道，如：具有可见光响应的光催化剂及其制备方法和应用(申请号：03158740.2)；高效二氧化钛光催化剂制备方法(申请号：200410081226.5)；一种氮掺杂锐钛矿型纳米二氧化钛的制备方法(申请号：200510011665.3)；一种制备掺杂中孔纳米氧化钛光催化剂的方法(申请号：200610134927.X)；阳离子S和阴离子N双掺杂一维纳米结构TiO₂光催化剂及其制备方法(申请号：200710071317.4)；一种负载型氮掺杂一维结构TiO₂及其制备方法(申请号：200810059650.8)。

金属或非金属离子掺杂的TiO₂催化剂，在禁带宽度内形成掺杂能级，一定程度上扩展了TiO₂的光响应范围，导致可见光催化能力增强，但是紫外-可见光催化效率仍然不高，达不到实际应用的要求，而且制备方法程序复杂，不易操作，成本或设备要求高等。

本发明旨在解决二氧化钛光催化剂的太阳能利用率低和可见光催化效率低等关键性难题，已研制出“高活性非金属离子共掺杂二氧化钛(TiO_2-x-yA_xM_y)光催化剂”，并建立了制备“高活性非金属离子共掺杂二氧化钛(TiO_2-x-yA_xM_y)光催化剂”的新方法，而且制备方法简单、易操作、成本和设备要求低。本发明将为实现二氧化钛催化剂的高效率、高性能和在环境治理领域的实际应用奠定基础。

【发明内容】

本发明以钛酸酯或钛酸盐为前驱体，以非金属化合物为掺杂剂，用溶胶凝胶法制备高活性非金属离子共掺杂二氧化钛光催化剂。本发明的优点在于：(1)工艺简单，对设备要求低，易操作；(2)产品粒径较小，比表面积较大，分散性好；(3)制备出的高活性非金属离子共掺杂的二氧化钛(TiO_2-x-yA_xM_y)光催化剂具有双相共掺杂、微观表面多元结构等特点，而且与纯TiO₂和单掺非金属离子TiO₂相比，可见光响应获得极大增强，有效地提高了紫外—可见光催化活性(比纯TiO₂的可见光催化活性提高了7.6倍，比单掺N离子的TiO₂可见光催化剂高1.9倍；且紫外光催化活性也超过了纯TiO₂催化剂)。