[发明专利]一种高性能纳米TiO2光催化剂材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能纳米TiO₂光催化剂材料及其制备方法。

背景技术

光催化剂是能够通过物理和化学作用有效吸附废水中有机污染物并且将这些污染物光催化降解成CO₂和H₂O的一类实用试剂的通称。

常用的光催化剂有纳米结构的ZnO、CdS、CdTe、CuO、TiO₂，以及这些纳米硫化物和氧化物的复合材料。其中纳米结构的TiO₂具有较大的禁带宽度和较好的化学稳定性，对废水中的残余有机污染物如甲基蓝、亚甲基蓝、甲基橙、苯酚和苏丹红等，具有很强的光催化降解能力。

目前商业上用来降解有机污染物的催化剂主要是P25混合晶型光催化剂。此种光催化剂材料存在以下不足：(1)降解效率低，普通P25的降解效率最高只有50％左右；(2)降解有机污染物数目有限，P25对少量有机污染物无降解效果；(3)晶型控制不好，不能实现对P25晶型的单一化锐钛矿型控制；(4)成本偏高，制备工艺要求条件较高。随着现代工业的迅猛发展，工业废水中有机污染物含量越来越多，对环境的污染也愈加严重，P25的应用局限性正变得越发明显。在这个背景下，寻找可以取代P25的新型光催化剂材料显得尤为重要。中空纳米结构多面体TiO₂光催化剂与P25相比较有以下优点：(1)较高的活性比表面积，能实现对废水中有机污染物的有效吸附；(2)较好的电子空穴对分离能力，单晶的电子平均自由程较长；(3)较好的晶型，能提供具有更高能量的激发电子；(4)较强的光催化能力，能更有效地降解废水中有机污染物；(5)较简单的制备工艺，可快速制备中空结构的TiO₂。

中空纳米结构多面体TiO₂采用水热和溶剂热相结合的方法制备。水热和溶剂热技术是目前国际上应用最广泛的纳米材料制备方法，该技术简单实用。应用水热和溶剂热法相结合制备的中空纳米结构多面体TiO₂，成形性好，制备条件要求低，成本廉价，相比P25能更多更好地吸附降解工业废水中的有机污染物。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能纳米结构TiO₂光催化剂材料，该光催化剂材料由中空纳米结构多面体TiO₂粒子构成，能有效利用太阳光催化降解废水中的有机污染物。

本发明的另一目的在于提供一种所述高性能纳米结构TiO₂光催化剂材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高性能纳米TiO₂光催化剂材料，该光催化剂材料由中空纳米结构多面体TiO₂粒子构成，该中空纳米结构多面体TiO₂粒子具有暴露面均为{101}面的内外双层高活性面结构，该中空纳米结构多面体TiO₂粒子的孔洞大小为100～200nm。

一种上述高性能纳米TiO₂光催化剂材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钛粉、氢氟酸和双氧水在去离子水中混合均匀后再转移到反应釜中；

(2)密封反应釜，将反应釜置于烘箱中于180℃保温3h；

(3)使反应釜自然冷却，然后用离心分离的方法收集固体产物；

(4)将得到的固体产物重新分散到装有乙二醇的反应釜中，密封后再将反应釜置于160～220℃烘箱中保温48～72h；

(5)使反应釜自然冷却，离心分离固体产物，烘干即可得纳米结构多面体TiO₂光催化剂材料。

在所述步骤(1)中，所述钛粉纯度为99.99％，粒径在40μm左右，氢氟酸质量百分比浓度为40％，双氧水质量百分比浓度为30％。钛粉与氢氟酸的摩尔比为1∶11～1∶17。

目前制备TiO₂所用钛源多为钛酸丁酯、四氯化钛、硫酸钛和四氟化钛等，在制备TiO₂时，这些钛源的水解速率不易控制，产物形貌得不到保证。本发明选择钛粉作为钛源，利用的是氢氟酸溶解钛粉生成钛离子配合物，然后控制钛离子配合物水解的原理，整个过程在封闭环境中进行，不同于利用普通钛源直接水解的制备过程，因此，利用钛粉所制备的产物TiO₂的形貌均匀易制，不会出现在化学反应过程中因为预先水解而不利于控制产物最终形貌的现象。