[发明专利]具有高效太阳光催化性能的磷掺杂型纳米二氧化钛及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非金属元素磷掺杂纳米二氧化钛，具体涉及一种具有高效太阳光催化性能的磷掺杂型纳米二氧化钛，以及这种纳米二氧化钛的制备方法。

背景技术

多相光催化是一种很好的去除废水中的有机和无机污染物技术，然而，现在人们最为关注的实际使用的光催化系统都集中于可再生的太阳能资源的应用。应用太阳光激发催化降解有机污染物比用需要高能量投入的人工紫外光激发过程具有更好的商业前景(Angew.Chem.Int.Ed.，2003，42，4908-4911.)。

锐钛矿二氧化钛分子结构是一种高效的光催化材料，在空气纯化、水污染处理和去除有害物质等方面均能发挥很大的作用(Chem.Rev.，1995，95.69-96)。纳米尺寸的锐钛矿二氧化钛由于其具有比体相大得多的比表面和高的禁带能级，而显示出比体相更好的光催化活性(Bull.Chem.Soc.Jpn.，2004，77，1427-1442.)。然而，纳米尺寸的锐钛矿相对体相会在更低的温度下转化为金红石结构。从锐钛矿转化到金红石相会大大地减少粒子的比表面(J.Photochem.Photobiol.A，2002，148，263-271.)。从而导致二氧化钛的光催化活性的降低。为了拓宽二氧化钛催化性能的应用，提高它的催化能力，很有必要提高锐钛矿相的稳定温度，增加它的光转换效率。已经有一些报道通过掺杂金属元素(J.Mater.Chem.，2003，13，2261-2265.)和非金属元素(Chem.Lett.，2003，32，330-331.)进入二氧化钛晶格来提高二氧化钛催化性能。结果发现二氧化钛中掺杂镧系元素离子可以提高锐钛矿相的稳定温度；而且通过化学键固定光催化剂在其它工作物体上，通常需要在高温条件下操作，故光催化剂在高温下是否稳定是影响其光催化性能的一个非常重要的因素。Zhang et al.(J.Mater.Chem.，2003，13，2261-2265.)通过溶胶-凝胶法制备出微结构和具有光催化性能的镧系元素掺杂二氧化钛，他们报道通过掺杂La³⁺、Eu³⁺、Gd³⁺，或Yb³⁺后大大抑制了纳米二氧化钛从锐钛矿转变为金红石。通过掺杂1at％La³⁺或者Eu³⁺后在900℃煅烧1h后仍为锐钛矿。

另外虽然很多文献报道通过掺杂提高了二氧化钛可见光催化活性，但是在紫外光下的催化活性很少有和P25作比较。Wang et al.(Appl.Catal.B：Environment，2005，57，223-231.)报道一种氮掺杂二氧化钛在各种光源下降解苯酚，结果显示在可见光照射下，氮掺杂二氧化钛显示出比商业P25更好的光催化活性。然而，在太阳光照射下，氮掺杂二氧化钛的光催化活性不如P25。为了得到一种更高效的，更经济的高温稳定性二氧化钛，我们制备出一种磷掺杂二氧化钛，它在900℃高温下依然没有转化为金红石相，从锐钛矿转变为金红石的相变温度比未掺杂的大大提高。更重要的是它具有在太阳光照射下比P25有更好的光催化性能，利用可再生太阳能降解污染物比可见光和紫外光更方便、直接，无需人工投入能量，具有很好的商业应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高效太阳光催化性能的磷掺杂型纳米二氧化钛，以及这种纳米二氧化钛的制备方法。该方案将发展一种新的高效直接利用太阳光降解有机染料的新型掺杂二氧化钛纳米粒子。一方面可以节约能源，另一方面还可以提高染料污水处理效率。

完成上述发明任务的方案是，一种具有高效太阳光催化性能的磷掺杂型纳米二氧化钛，其特征在于，所述的磷掺杂型纳米二氧化钛平均粒子大小在15nm以下。

BET测试表明，本发明所述的磷掺杂型纳米二氧化钛的比表面为126.9m²/g。

更优化地说，本申请所述的具有高效太阳光催化性能的磷掺杂型纳米二氧化钛，是指用以下方法制得的纳米二氧化钛：

以钛酸四丁酯为钛源，磷酸为磷源，使用溶胶-凝胶法合成磷掺杂二氧化钛纳米粒子；再将得到的固体研细，400～900℃煅烧，得到P掺杂二氧化钛粉末。本申请推荐：最佳的煅烧温度为500℃。

完成本申请第2个发明任务的方案是，一种上述具有高效太阳光催化性能的磷掺杂型纳米二氧化钛的制备方法，其特征在于，步骤是：

以钛酸四丁酯为钛源，磷酸为磷源，使用溶胶-凝胶法合成磷掺杂二氧化钛纳米粒子；再将得到的固体研细，400～900℃煅烧，得到P掺杂二氧化钛粉末。本申请推荐：最佳的煅烧温度为500℃。