[发明专利]一种铁掺杂二氧化钛粉体的制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁掺杂二氧化钛粉体的制备工艺。

背景技术

二氧化钛由于其良好的化学稳定性、抗磨损性、低成本、无毒等特点而成为最具应用潜力的光催化剂。但是由于受禁带宽度的制约，二氧化钛对太阳光的利用率比较低。TiO₂属于宽禁带半导体，捕获阳光的能力较差，目前主要是采用染料敏化的方法制备具有较宽光谱吸收范围的光电化学太阳能电池。二氧化钛电极材料对敏化剂的选择要求比较高，对敏化剂的选择方面依赖比较大，提高了生产成本。近几年又不断有报道，适量的过渡金属掺杂Ti0₂可以在其表面引入缺陷位置，成为电子或缺陷的陷阱，减少电子和空穴的复合，扩大感应光区范围，对提高电池的光电转换效率具有积极作用。

铁掺杂二氧化钛是半导体改性材料，相关报道已经证明了其在催化降解领域的广泛应用。包南等人在《功能材料与器件学报》(2008年4月第14卷第2期第462-466页)“铁掺杂二氧化钛纳米晶的超声模板法制备及其光催化活性”一文中提出了一种纳米二氧化钛催化剂的制备方法，其以钛酸四丁酯和硝酸铁为原料，并辅以十二烷基胺作模板剂，将超声化学法与模板技术相结合，制备了系列铁掺杂TiO₂纳米晶。使用该方法可制得粒径均匀、形态规整、形貌有序的锐钛矿型纳米晶，且可实现铁元素均匀有效的掺杂。但由于该方法制备过程中需要控制反应体系在80℃且长时间使用高能超声波(4小时)，能量消耗较大，工业化生产成本比较高。另外，何丹农等人公开了一种多孔掺铁二氧化钛催化剂的制备方法(专利申请号200810042475.1，公告号CN101347732B)，其包括以下步骤：向乙二醇溶剂中依次加入固体六水合三氯化铁FeCl₃·6H₂O和钛酸丁酯Ti(OC₄H₉)₄，进行搅拌回流并冷却至室温；再将冷却后的溶液置于离心机中进行分离，然后将其置于无水乙醇中进行若干次分散和清洗，得到金属醇盐固体；在进行干燥处理和加热处理后，获得多孔掺铁二氧化钛光催化剂的固体粉末。使用该方法制备的多孔掺铁二氧化钛光催化剂在降解有机污染物分子的反应中具有较高的光催化活性，但从该申请提供的透射电镜照片来看，其得到的棒状二氧化钛直径大约250～500nm，长度近10μm，尺寸偏大，不适于太阳能电池电极材料。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，本发明致力于对二氧化钛改性工艺的改进，提供了一种制备铁掺杂二氧化钛的优化合成工艺。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

1.一种铁掺杂二氧化钛粉体的制备工艺，其特征是，包含以下几个步骤：

(1)将钛酸丁酯中加入无水乙醇，加入水解抑制剂得到均匀透明溶液A；

(2)按照Ti和Fe的摩尔比为(20-5)∶1，将FeCl₃·6H₂O溶解在无水乙醇中，形成FeCl₃醇溶液B；

(3)在室温下，缓缓的将溶液B加入到溶液A中，滴加的同时搅拌，得到均匀透明的溶液C；

(4)将溶液C搅拌15-30分钟后，静置并进行干燥处理得到干凝胶；

(5)将干凝胶进行加热处理制得铁掺杂二氧化钛粉体。

所述钛酸丁酯与无水乙醇的体积比为1∶1-1∶2。

所述水解抑制剂是冰醋酸，钛酸丁酯与冰醋酸的体积比10∶1-10∶2。冰醋酸是水解抑制剂，可以结合部分水合三氯化铁带入的结晶水，降低溶液中的自由水的含量，减缓水解速度，避免形成大颗粒聚集体。

所述步骤(1)具体为：室温下，将钛酸丁酯在搅拌下缓慢滴入盛有乙醇的烧杯中，在搅拌的同时缓慢加入冰醋酸，继续搅拌得到均匀透明的溶液A。

所述步骤(2)中FeCl₃·6H₂O占无水乙醇的质量百分比为3-15％。

所述步骤(4)中溶液C静置时间为先室温下静置2天，得到黄色湿凝胶，然后室温下自然放置48-72小时。

所述步骤(4)中干燥处理为：溶液C静置后于温度设置为110-130℃的烘箱中烘干。

所述步骤(5)为：将干凝胶研磨成颗粒均匀的粉末，放置在马弗炉中灼烧2-5小时，设置温度为200-700℃。这里根据相关文献的报道和实验的需求进行温度的设置，因为改性材料在一定的温度下，会发生晶型的变化，不同的晶型，例如金红石型和锐钛矿型，其光电转换效率明显不同。