[发明专利]一种提高二氧化钛光催化活性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种一步共掺杂法提高二氧化钛光催化剂光催化活性的方法，本发明还涉及该方法的步骤及其特点。

背景技术

在众多催化反应所用的半导体催化剂中，TiO₂以其无毒、催化活性高、稳定性好和抗氧化能力强等优点而备受青睐。特别是由TiO₂转化而来的钛氧基纳米管，由于其管状结构特殊的长径比，管径小，管段开口，中空孔道，优异的沉降性能等性质而被广泛研究。然而TiO₂光催化氧化技术存在的问题是光吸收波长狭窄，主要集中在紫外区域，太阳能利用率低；此外光激发产生的电子-空穴对复合率高，量子产率低^[65-68]。这些缺点限制了TiO₂的实际应用，因此提高TiO₂的光响应范围及量子产率成为TiO₂改性的主要工作。研究表明，贵金属沉积、金属离子或非金属离子修饰是提高其光催化性能的有效办法。2001年R.Asahi等人首次用非金属N掺入TiO₂，获得了优异的可见光活性和超亲水性能。TiO₂经N掺杂后，N的2p轨道和O的2p轨道电子云杂化使带隙变窄，TiO₂的吸收带红移，从而产生对可见光的吸收。对TiO₂进行非金属掺杂具有划时代的意义，掺杂后的催化剂对光的响应范围扩展至可见光区，能直接利用可见太阳光催化降解环境有机污染物。此举掀起了非金属元素掺杂TiO₂的热潮，先后有C、N、F、P、S、B等一系列非金属元素掺杂的纳米TiO₂被合成，与O2p轨道相比，N、C、S和P等非金属离子具有能量相对较高的轨道，用这些原子来取代TiO₂中的部分氧原子，则有可能使半导体TiO₂的价带位置升高，半导体禁带宽度缩小，使其吸收边红移而进入可见光区。

然而单一的非金属元素掺杂容易引起电荷的不平衡，由此产生的缺陷可以成为电子空穴对的湮灭中心，降低其光催化性能，因此国内外的研究者尝试通过非金属元素多元共掺杂，在拓展光响应范围的同时，提高其光催化活性。近几年研究发现，对TiO₂进行两种元素共掺杂，得到的光催化剂具有比单一元素掺杂更高的光催化性能。氮-氟、碳-硫、氮-硫和碳-氮共掺杂的TiO₂粉末，均具有不同程度的可见光响应活性，表现出更佳的光催化活性。二硫化碳，含有两种非金属元素，可用来一步制备碳-硫共掺杂的TiO₂催化剂。本发明以钛酸盐纳米管和二硫化碳为原料，通过形成黄原酸基化学反应制备二硫化碳修饰钛酸盐纳米管，焙烧后碳、硫元素进入TiO₂晶格，从而达到一步碳-硫共掺杂的目的。这些非金属元素的p轨道与价带氧的p轨道较迭，导致TiO₂的禁带宽度Eg变窄。与其他简单的掺杂方法相比，钛酸盐纳米管和二硫化碳之间的强共价键使得碳和硫两种非金属元素牢牢地存在于纳米管上，不易失去。

发明内容

为实现本发明所提供的技术方案是：

以水热法合成的钛酸盐纳米管为载体，借助于水热法合成的钛酸盐纳米管表面大量的-ONa键，通过其与二硫化碳形成黄原酸基化学反应得到二硫化碳修饰的钛酸盐纳米管，离心，去掉母液，用蒸馏水反复洗涤后，再用乙醇洗涤两次，之后用稀溶液调至酸性后搅拌12h，之后离心，室温真空干燥，并于氮气气氛下500℃焙烧2h。所得样品即为碳、氮共掺杂的TiO₂光催化剂。

其中所述钛酸盐纳米管的制备采用水热合成法，其制备方法为：将1.6g市售TiO₂粉末(锐钛矿型)与10mol/L NaOH溶液密封在70ml聚四氟乙烯反应釜中，搅拌条件下于150℃反应12h。离心，得到的白色絮状物为钛酸盐纳米管。

钛酸盐纳米管与二硫化碳形成黄原酸基的化学反应为：称取定量钛酸盐纳米管，加入过量的CS₂，室温搅拌12小时。颜色由无色逐渐变成橙黄色。所得样品即为二硫化碳修饰的钛酸盐纳米管。