[发明专利]钛铁合金氧化物纳米管阵列光阳极及其制备与应用

说明书

技术领域

本发明涉及材料化学领域，尤其是涉及一种高效稳定的可见光电催化氧化处理染料废水的钛铁合金氧化物纳米管阵列光阳极产品。

背景技术

高级氧化降解是处理环境污染物质的重要途径之一。光催化氧化作为一种高级的深度氧化技术，具有氧化能力强，可控性高，反应条件温和，材料制备易得，无直接的二次污染等优点，为环境污染的治理提供了一条全新的充满希望的途径并引起了人们的广泛关注，而实现直接有效的利用太阳光来光电催化氧化降解环境污染物无疑是未来环境控制领域的发展趋势。太阳光中可见光能量所占比重高达45％，因此研发出在可见光响应的光电催化剂在光电催化氧化技术中就具有至关重要的地位。在众多的光催化剂中，纳米结构的TiO₂由于具有相对较高的光催化活性，良好的光化学稳定性，非毒性及其他方面的潜在应用价值，被广泛的应用于光降解、储氢、太阳能电池等方面。许多研究表明，许多研究表明，利用电化学阳极化的方法在钛基底上原位直立生长的纳米管状TiO₂在不增加几何面积的情况下，可以获得与粉末状催化剂相媲美的比表面积。而且，因为纳米管阵列是生长在导电性良好的金属基底上的连续固体块状材料，所以其光电性质相比于粉末状TiO₂会有很大程度的提高，并能克服粉末状光催化剂难以回收的难题，因而TiO₂纳米管已经在光电催化领域广泛使用。但是，由于TiO₂带隙很宽(Eg＝3.22eV)，只有波长较短的太阳光(λ＜385nm)才能被其吸收，很大程度上制约了TiO₂纳米管的实际应用。目前拓展TiO₂纳米管吸收光谱的研究主要集中在向纳米管内填塞窄带隙的掺杂物，使TiO₂纳米管的吸收带边红移，提高TiO₂纳米管对太阳能的利用效率。其中Fe₂O₃是一种带隙为2.2eV的半导体，可以利用大部分太阳能来进行光催化氧化反应。但是Fe₂O₃也存在自身的问题，其极低的电子迁移率导致光生电子和空穴极易复合，导致Fe₂O₃的光电转换效率很低(～12％)。另一方面，Fe₂O₃容易发生化学和光腐蚀。新近的研究表明，有效利用TiO₂纳米管良好的电荷传递和抗腐蚀性能以及Fe₂O₃的可见光吸收能力，能够得到高效的具有可见光响应的光催化剂材料。但是，传统的填塞式掺杂在很大程度上降低了TiO₂纳米管固有的高比表面积，使得复合光催化剂的活性不能有效发挥。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种能够利用可见光进行高效稳定的光电催化氧化降解染料废水的钛铁合金氧化物纳米管阵列光阳极。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种钛铁合金氧化物纳米管阵列光阳极，该光阳极原位生长在Ti-Fe合金基底上，具有高度有序的纳米管结构和二元氧化物的高度均匀分布，具有很强的可见光电催化活性。

一种钛铁合金氧化物纳米管阵列光阳极的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将Ti板和纯度为99.99％的Fe粒混合，在氩气气氛保护下，经高温电弧熔融炉熔融得到钛铁合金，该钛铁合金中铁的质量百分比为4～6％，利用线切割机将钛铁合金切割成钛铁合金板；

(2)将步骤(1)中切割后的钛铁合金板用砂纸打磨抛光，在蒸馏水和丙酮中各超声清洗10～20min，在室温环境下，采用二电极体系，以打磨抛光、超声清洗过的钛铁合金板为阳极，铂电极为对电极，以含有0.2～0.3mol·L^-1氟化铵的乙二醇溶液作为电解质溶液，恒电位+20～40V阳极化3～5h，然后用二次蒸馏水清洗干净后在氮气环境中晾干；

(3)将步骤(2)中所得钛铁合金板置于管式炉氧气气氛中进行热处理，以1～2℃/min升温速率由室温升至400～600℃并恒温1～3h，然后以1℃/min的速率降至室温，得到钛铁合金氧化物电极。

步骤(1)中所述的Ti板的纯度为99.9％，所述的Fe粒的纯度为99.99％。