[发明专利]一种钆掺杂二氧化钛球形光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料二氧化钛复合改性的制备领域，具体地说，涉及一种钆掺杂二氧化钛球形光催化剂的制备方法。

背景技术

在纳米材料研究领域中，纳米二氧化钛作为一种功能性半导体材料，在环境保护、光电转换、涂料行业和工业催化等领域有着极为广泛的用途。纳米二氧化钛材料具有价廉无毒、粒径小、粒子团聚少、形貌均一稳定、能够再循环利用等优点而在污水处理、空气净化方面备受青睐。

然而二氧化钛的带隙较宽(3.23电子伏)，只能被波长较短的紫外光(λ<387.5纳米)激发，而紫外光在自然光中的相对含量较少，仅占3%～5%，故对太阳能的利用率很低；而且由于光激发产生的电子与空穴的复合，导致光量子效率很低，极大地限制了二氧化钛的应用范围。因此各国科研工作者开始对其光催化剂进行改性研究以提高激发电荷分离，抑制载流子复合，扩大其作用的光谱范围，改变产物的选择性或产率，提高光催化材料的稳定性等。

研究发现，稀土金属离子具有独特的4f电子结构，可在二氧化钛中引起晶格畸变，材料表面吸附的羟基增多，易于产生羟基自由基；晶格氧易于脱离，即易于形成氧缺位；稀土元素增强了催化剂对反应物的吸附能力；此外，稀土离子引入二氧化钛晶格后，可在二氧化钛的禁带中引入杂质能级，减少禁带宽度，从而拓宽二氧化钛的光谱吸收范围。近年来，有关稀土元素对二氧化钛进行掺杂改性的研究也取得了关键性进展，但仍存在很大的研究空间。

目前涉及溶胶-凝胶法的二氧化钛光催化剂的制备多数是配置两种A、B溶液，再将该两种溶液缓慢混合，发生水解反应获得所需溶胶或凝胶，其工艺较为复杂，且在两种溶液混合过程中，混合速度不易控制又易造成原料浪费。

如孟前进、李巧玲所发表的TiO₂粉体的溶胶-凝胶法制备及表征一文中（《化工技术与开发》2009年第12期）所涉及的溶胶凝胶法，其具体工艺是以钛酸四丁酯为前驱物，无水乙醇为溶剂，冰乙酸为抑制剂，包括如下步骤：(1)将一定量的去离子水、1/3的无水乙醇混合配成A溶液；(2)将一定量的钛酸四丁酯和冰乙酸，在快速搅拌下缓慢加入2/3的无水乙醇中，配成B液；(3)在快速搅拌下，将A溶液缓缓滴入B溶液，得到均匀透明溶液；待凝胶形成后，停止搅拌，在空气中放置、陈化12h以上；(4)在80℃的恒温条件下对凝胶进行干燥2h，得到黄色晶体；(5)将晶体研磨后得到白色粉末，放入马弗炉中，高温煅烧一定时间，得到白色的TiO₂粉体。本发明与该文献中的制备工艺相比，其涉及的技术依据基本相同，但明显简化了其具体的实施步骤，例如取消了冰乙酸抑制剂的添加；并将A、B两种反应溶液简化成一种反应溶液，减少不必要的原料浪费；另外，本发明中不需等待凝胶的形成和陈化，可直接将反应溶液置于烘箱中烘干，以更快地获得产物。本发明中添加的稀土元素钆，可以极大地提高其二氧化钛光催化剂的各方面性质，如减小晶粒尺寸和加快光催化反应等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钆掺杂二氧化钛球形光催化剂的制备方法,将稀土元素钆粒子均匀地、高分散性地负载在二氧化钛内部或表面，并简化制备工艺和流程。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种钆掺杂二氧化钛球形光催化剂的制备方法，该方法将钛酸四丁酯加入到无水乙醇中，并在搅拌过程中加入硝酸、硝酸钆以及蒸馏水，搅拌使离子充分进入二氧化钛内部或表面后，烘干，研磨成粉。将得到的粉末在马弗炉中煅烧，即可得到稀土元素钆掺杂的纳米二氧化钛光催化剂。

进一步的，本发明上述方法具体步骤如下：

（1）将钛酸四丁酯、无水乙醇、硝酸配成混合溶液，进行搅拌。

（2）在上述溶液中加入硝酸钆，搅拌使之完全溶解。

（3）将去离子水加入到上述（2）所得溶液中，在钛酸四丁酯快速水解的同时剧烈搅拌使之混合均匀。

（4）将所得混合溶液置于恒温干燥箱中进行干燥。

（5）研磨所得产物，在马弗炉中进行煅烧，即得到钆离子掺杂的纳米二氧化钛光催化剂。

所述步骤（1）中，无水乙醇的加入量为钛酸四丁酯的6~8倍。

所述步骤（1）中，加入的硝酸与钛酸四丁酯的体积比为0.1毫升/毫升，硝酸质量分数为65-68％。

所述步骤（2）中，硝酸钆的加入量按钆离子与二氧化钛的摩尔百分比进行计量，加入量为0.2%~2.0%。

所述步骤（3）中，去离子水与钛酸四丁酯的体积比为0.25毫升/毫升~0.5毫升/毫升。