[发明专利]一种碳氮共掺杂TiO2纳米催化材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化钛光催化和太阳能电池技术领域，具体涉及一种制备碳氮共掺杂纳米二氧化钛光催化材料的方法。

背景技术

随着能源危机以及环境污染、温室效应和臭氧层破坏等问题日益突出，太阳能因其清洁、无污染等特点而成为一种理想的新能源备受关注。自从1972年 Fujishima 和 Honda [[i]]发现了TiO₂半导体可在紫外光照下将水光解成 H₂ 和 O₂ 以来, 半导体光催化研究因其在能源与环境等方面的应用而得到长期重视。

染料敏化太阳能电池也是太阳能利用的途径之一。染料敏化太阳能电池是由光阳极，电解质和对电极组成的一种“三明治”结构，TiO₂光阳极作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分直接影响着染料敏化太阳能电池的效率。

TiO₂无毒、活性高、便宜、耐光腐蚀、耐强酸、强碱等特点而成为应用前景最好的光催化剂。TiO₂在光催化降解，光催化制氢，染料敏化太阳能电池等方面都有广泛的应用前景，但TiO₂ 的禁带宽度较大（3.2eV），只有波长小于 387 nm 的紫外光才能激发 TiO₂ 产生导带电子和价带空穴对而引发光催化反应，极大的限制了其应用范围。为了提高太阳光的有效利用，对 TiO₂ 进行掺杂、修饰以扩展其光响应范围从而提高其光催化活性已成为目前 TiO₂ 光催化领域最具挑战性的研究课题之一。TiO₂ 的掺杂可分为非金属掺杂（C、N、B、S、Si等）、金属掺杂（Fe, W, Cr等）、非金属共掺杂（C-N, C-S等）以及金属与非金属共掺杂（Si-W, Fe-C等）等。对TiO₂进行掺杂改性，减小其禁带宽度，增强TiO₂的可见光响应，更有利于激发态的染料分子的电子注入TiO₂的导带，抑制电子空穴对的复合。

Asahi等[[ii]]报道了N掺杂的TiO₂具有可见光响应，并提出非金属掺杂影响 TiO₂ 能带原理，对TiO₂的进行非金属(如 C [[iii],[iv]]、N [[v],[vi],[vii]]、S [[viii],[ix]]、B [[x]] 等)掺杂研究成为研究热点，共掺杂由于掺杂原子的协同效应，可以进一步提高 TiO₂ 的光催化活性。我们在前文中利用较昂贵的TiCN，通过热处理TiCN制备了C-N 共掺杂的TiO₂[[xi]]。Li 等[[xii]]用溶胶-凝胶法制备了B-N 共掺杂的 TiO₂，结果表明其可见光活性要好于单掺 N 的 TiO₂。Lin 等[[xiii]]也用溶胶-凝胶法制备了P-N 共掺杂的 TiO₂，研究发现共掺杂的光催化活性相比单掺杂的有进一步的提高。Cong 等[[xiv]] 通过微乳液-水热法合成了 C-N 共掺的 TiO₂ 纳米颗粒，Chen 等[[xv]]用溶胶-凝胶法合成了C-N 共掺的 TiO₂。但是已报道的这些制备方法相对比较复杂。

本发明提出一种新的制备 C-N 共掺杂的 TiO₂ 的简单方法，即通过在 CO 气氛中热处理 TiN 得到C-N共掺杂的 TiO₂。实验结果表明，热处理氧化 TiN 得到的 C-N 共掺杂的 TiO₂ 对亚甲基蓝表现出良好的光催化降解活性，光催化制氢的活性也高于通过热处理 TiN 得到的单掺杂 N 的 TiO₂ 的活性，同时利用本发明得到的C-N共掺杂的 TiO₂样品制作的染料敏化太阳能电池的能量转换效率也高于利用P25制作的染料敏化太阳能电池的能量转换效率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种工艺简单、所得材料催化活性好的制备CN共掺杂纳米二氧化钛材料的方法。

本发明提出的制备CN共掺杂纳米二氧化钛材料的方法，所用的原料为纳米氮化钛（TiN）粉体，主要设备是管式炉，通过在CO气氛中热处理氧化的方法制备C-N共掺杂纳米二氧化钛。具体步骤为：