[发明专利]一种新型光催化剂S掺杂SiO2/TiO2复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及以钛酸丁酯、正硅酸乙酯、硫磺为主要原料，无水乙醇为溶剂，冰乙酸为抑制剂，盐酸为催化剂，采用溶胶-凝胶技术，制备新型光催化剂S掺杂SiO₂/TiO₂复合材料的方法，属于复合材料领域。本发明制备的S掺杂SiO₂/TiO₂复合材料具有优良的可见光光催化性能，可广泛应用于环境污染治理、光催化功能材料制备等领域。

背景技术

在光催化反应所使用的众多半导体催化剂中，TiO₂因其具有无毒、催化活性高、氧化能力强及稳定性高等特点，一直被认为是最有效的光催化剂。但是，由于TiO₂半导体禁带宽度较宽（Eg=3.2eV），只能被太阳光中波长小于387nm区间的紫外光激发，在可见光范围内没有响应，对太阳光利用率低（3％～5％），大大限制了其应用领域和实用效果。如何有效提高TiO₂的光催化性能，特别是在可见光范围内的光催化活性，拓宽其应用范围和规模，是当今TiO₂光催化剂研究中急需解决的重要问题之一【高镰，郑珊，张青红．纳米氧化钛光催化材料及应用[M]．北京：化学工业出版社，2002；张金龙，陈锋，何斌．光催化[M]．上海：华东理工大学出版社，2004】。

已有研究表明，通过对TiO₂进行非金属离子掺杂、金属离子掺杂、共掺杂或复合半导体等方法改性可以不同程度地改善其光吸收及光催化性能，从而提高其光催化降解效率【洪孝挺，王正鹏，陆峰，等．可见光响应型非金属掺杂TiO₂的研究进展[J]．化工进展，2004，23(10)；卢萍, 姚明明, 张颖, 等．铝离子掺杂对TiO₂薄膜光催化性能的影响[J]．硅酸盐通报，2003，（2）；刑朋飞，王金淑，金建新，等．S-N 共掺杂纳米TiO₂ 可见光光催化剂的制备及其性能研究[J]．纳米科技，2007，4 (2)；陶磊，杨秋景，徐自力，等．TiO₂/SiO₂ 纳米粒子光催化降解庚烯/二氧化硫[J]．吉林大学学报，2006，44(2)】。对于非金属掺杂TiO₂的可见光响应机理，目前普遍认为是通过掺杂非金属（N、S、C、B等）后，由于TiO₂中O的2p轨道和非金属中能级与其能量接近的p轨道杂化后，价带宽化上移，禁带宽度相应减小，从而吸收可见光，产生光生载流子而发生氧化-还原反应；金属离子掺杂TiO₂后，能够改变TiO₂相应的能级结构，由于金属离子可以接受TiO₂导带上的电子，使其成为光生电子-空穴对的浅势捕获阱。同时，掺杂金属氧化物的带隙能较小，可以吸收较大波长范围内的光子，从而扩展TiO₂吸收光谱的范围，并且还能俘获TiO₂受激发所产生的电子和空穴，从而降低电子与空穴的复合几率，延长载流子的寿命，提高TiO₂的光催化效率；共掺杂包括金属与金属掺杂、金属与非金属掺杂、非金属与非金属掺杂等，通过共掺，产生协同作用改性TiO₂，扩大TiO₂的光响应范围，提高其光催化活性；复合半导体是指两种不同能带宽度的半导体进行复合，由于不同半导体的价带、导带和带隙能不一致而发生交迭，从而提高了光生电子和空穴的分离率，扩展TiO₂的光谱响应，从而表现出具有较单一半导体更好的稳定性和催化活性。同时有研究认为，具有高光催化活性的TiO₂多数为锐钛矿型和金红石型的混合物。由于两种相态TiO₂紧密毗连，当光照射在TiO₂粒子上时，表面层金红石型TiO₂被激发，由于锐钛矿型TiO₂和金红石型TiO₂导带和价带能级的差异，光生电子从金红石相TiO₂向锐钛矿相TiO₂扩散，而空穴则由锐钛矿相向金红石相扩散，即光生电子在锐钛矿相TiO₂上富集，空穴在金红石相TiO₂表面聚集，由此减少了电子和空穴的复合几率，使电子-空穴对发生有效分离，从而提高TiO₂粒子的光催化效率【刘瑶, 苏雪筠．二氧化钛光催化性能的影响因素分析[J]．材料导报，2004，18 (Ⅱ)；吕德义，王晖，郇昌永，等．水热晶化法制备纳米TiO2的动力学研究[J]．浙江工业大学报，2004，32(1)】。