[发明专利]纳米单晶二氧化钛光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化钛催化剂技术，具体地说是一种纳米单晶二氧化钛光催化剂的制备方法。

背景技术

上世纪七十年代初，人们将半导体材料用于催化光解污染物取得了突破性进展。人们用TiO₂电极分解水；用TiO₂粉末催化光解水中污染物，得到了满意的效果。上世纪80年代，随着环境问题的日益严峻，大气、水体污染的不断加剧，半导体多相光催化逐渐受到世界环境保护专家的重视。现在光催化降解和消除环境污染物已成为最重要的研究领域，使半导体多相光催化在近20年来发展成为一项新的环保技术，开辟了半导体催化剂在环境保护方面的新领域。以TiO₂为例的半导体材料，当吸收了波长小于或等于387.5nm的光子后，价带中的电子就会被激发到导带，形成带负电的高活性电子e^-，同时在价带上产生带正电的空穴h⁺。在电场的作用下，电子与空穴发生分离，迁移到粒子表面的不同位置。热力学理论表明，分布在表面的h⁺可以将吸附在TiO₂表面OH^-和H₂O分子氧化成·OH自由基，而·OH自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化大多数的有机污染物及部分无机污染物，并将其最终降解为CO₂、H₂O等无害物质。由于·OH自由基对反应物几乎无选择性，因而在光催化氧化中起着决定性的作用。此外，许多有机物能直接为h⁺所氧化。而TiO₂表面高活性的e^-则具有很强的还原能力，可以还原去除水体中金属离子。近年来，利用半导体光催化剂处理环境中各种污染物已引起世界关注，光催化降解有机物在环境治理方面具有重要意义。TiO₂以其无毒、催化活性高、化学稳定性好、价廉易得及可直接利用太阳光等优点受到人们的重视，并成为典型的光催化剂。高能晶面暴露的单晶材料由于其在催化及许多领域有着十分重要的应用而受到越来越多的关注。锐钛矿TiO₂晶体各晶面的平均表面能的高低顺序为：

0.90J·m^-2{001}＞0.53J·m^-2{100}＞0.44J·m^-2{101}。

不同的晶面用晶面符号(hkl)区别表示，其中h，k，l表示晶面指数，分别与晶轴x，y，z相对应。由上式可以看出，在锐钛矿TiO₂晶体中，(001)高能晶面的反应活泼性要高于(101)晶面。目前合成的TiO₂晶体主要是以低能量的(101)晶面暴露为主，而关于(001)高能晶面暴露TiO₂的文献少有报道。2008年，Yang Huagui课题组报道了在含钛水溶液中添加氢氟酸，然后进行水热反应，合成了(001)高能晶面暴露的单晶锐钛矿TiO₂。这种合成方法的缺点是：

1.单晶TiO₂合成产品是微米尺度，其比表面积小；

2.合成过程中添加了具有强腐蚀性、剧毒的氢氟酸作为辅助剂，给环境和操作人员带来污染和危险。

经广泛查阅国内外公开出版物和专利文献，均未见有利用非水体系合成(001)高能晶面暴露的单晶TiO₂的文献报道。因此发明一种利用非水体系，制备大比表面积的单晶TiO₂光催化剂提高催化降解效果是当前环保技术领域的一个极其重要任务。

本发明首次采用溶剂热方法，在非水体系中，不借助氢氟酸的辅助作用合成(001)高能晶面暴露的纳米单晶TiO₂。本发明方法合成的纳米单晶TiO₂具有比表面积大及更多暴露的(001)高能晶面，其光催化降解甲基橙活性要远远高于当前现有技术。因此，本发明具有显著的新颖性、创造性和实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种比表面积大、光催化降解效果好，具有更多暴露的高能晶面的纳米单晶TiO₂光催化剂的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种纳米单晶二氧化钛光催化剂的制备方法，其步骤为：

(1)常温下、将含钛前驱物溶解于溶剂中，搅拌至完全溶解，得澄清的前驱溶液；

(2)将上述前驱澄清溶液移至水热釜中，置入恒温箱，恒温0.5～3天；