[发明专利]具有高光催化活性TiO2纳米晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高光催化活性TiO₂纳米晶体的制备方法。

背景技术

目前，挥发性有机物气体的治理已经成为环保领域研究的热点，它们不仅对人体健康有极大的危害，而且会造成严重的环境污染问题。在各类挥发性有机污染物中，苯由于其致癌性与难降解的特性成为人们研究的重点，同时苯也是大气污染中存在最多的有机污染物之一。因此，开发一种高效而稳定的降解气相挥发性有机物（如苯）的催化剂，一直是环境治理中的难点。

在过去的几十年中，人们研究了大量的治理方案，从过去的吸附法，生物法一直发展到最近的光催化技术。研究证明，以半导体为催化剂，利用光催化氧化降解处理空气中的苯等挥发性有机物气体是一个很有效的方法。近年来，各界学者都致力于改进创新光催化技术去降解气相挥发性有机污染物。纳米TiO₂光催化剂具有高效、无毒、价廉、易制备、易工业化等诸多优点，是目前研究最多、效果最好、最有希望得到广泛应用的一类光催化剂材料。目前，主要有以下两种提高TiO₂光催化效率的方法：

第一种方法是是通过控制TiO₂晶体的生长，使暴露更多的高能面（如｛001｝晶面）来提高TiO₂光催化效率，这也是目前研究比较多的方法。中国专利CN101791545A利用简单的溶剂热方法，通过控制原料液组分、溶剂热时间及温度制备出了｛001｝面暴露率大于90%微米层状锐钛矿二氧化钛光催化剂，在选择性催化氧化甲苯制备苯甲醛的反应中显示出高于普通商业TiO₂（Degussa，P-25）的催化活性。由于TiO₂｛001｝晶面的表面能高于｛101｝晶面，所以一些研究者认为TiO₂｛001｝晶面较｛101｝晶面具有更高的光催化活性（Wu, B.; Guo, C.; Zheng, N.; Xie, Z.; Stucky, G. D. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 17563.）。但是，另外一些研究发现TiO₂｛101｝晶面的催化活性反而高于｛001｝晶面（Pan, J.; Liu, G.; Lu, G. Q.; Cheng, H. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2133.）。

第二种方法是通过增大TiO₂纳米粉的比表面积来提高TiO₂光催化效率。提高TiO₂纳米粉的比表面积的策略通常是制备各种介孔的TiO₂或者大孔/介空的TiO₂（Yu, J. G.; Su, Y. R.; Cheng,B. Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 1984.），中国专利CN101036878A利用蒸汽热法合成了一种高晶化TiO₂，有较好的光催化活性，比表面积为70-250m²/g,所得高晶化TiO₂纳米晶的最高光催化活性(速率常数)是基准光催化剂商品TiO₂（Degussa，P25）的4.6倍；中国专利CN102078806A利用三嵌段共聚物聚乙二醇-聚丙醇-聚乙二醇（P₁₂₃）为模版剂，钛酸丁酯为钛源，以含硼、氮或三价钛的化合物作为掺杂物的前驱体，在一定温度和湿度的条件下合成，通过干燥焙烧得到掺杂介孔二氧化钛，该方法能快速降解废水中的有机污染物，并在可见光下有较高的光催化活性；中国专利CN101780404A利用葡萄糖在浓硫酸作用下脱水形成的大比表面积多孔炭作为模版，利用二氧化钛溶胶-凝胶在多孔炭中形成高比表面积干凝胶，后经热处理去除多孔炭模版得到比表面积达200m²/g的二氧化钛介孔材料，显示出高于基准光催化剂商品TiO₂（Degussa，P25）的催化活性。但是，这种方法很难从根本上提高TiO₂的本征光催化效率（单位面积光催化剂的光催化活性）。