[发明专利]一种共掺杂纳米二氧化钛光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光催化剂及其制备方法，特别涉及一种钒、镧、铜、锌、硅共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂及其制备方法。

背景技术

TiO₂因具有化学性质稳定、催化活性高、成本低、无毒等优点而倍受人们青睐，是当今最受欢迎的光催化剂。其应用范围极其广泛，在污水处理、空气净化、灭菌消毒、皮革工业和化妆品等领域有着巨大的潜在应用价值。它不仅可以使光能转化为化学能，而且可以实现光催化氧化水体和空气中的绝大多数有机污染物，包括染料、表面活性剂和农药等各种难生物降解的有毒有机污染物，降解最终产物为CO₂，H₂O和其它无机离子。近年来，已发现废水中有3000多种难降解的有机污染物，可通过纳米TiO₂的光催化作用使其降解为CO₂，H₂O和无毒的氧化物。

TiO₂光催化技术面临着量子产率低和太阳能利用率低两大难题。适量的稀土元素掺杂TiO₂有利于光生电子和空穴的分离，提高其量子效率，改进TiO₂薄膜在光照下的光催化活性。金属离子掺杂可使TiO₂受激所需能量变小，一定程度上可将其光谱响应范围扩展到可见光区。

管晶等在《应用化工》(2006年第二期117-119页)上发表的“掺钒二氧化钛的可见光催化性能研究”，该文中提出以溶胶-凝胶法制备可见光响应型掺钒TiO₂光催化剂的方法，但其是以荧光灯(模拟太阳光)为光源进行的TiO₂的催化活性评价，且煅烧温度过高在700℃左右。Xiao-FengWu等人采用水热法制备Au-TiO₂核壳型纳米材料，并将该材料应用于光催化降解乙醛。虽然这些掺杂只能改进光催化剂的某一个性能，不能整体提高光催化剂的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对可见光响应良好、整体性能高的钒、镧、铜、锌、硅共掺杂纳米二氧化钛光催化剂。技术方案如下：

一种共掺杂纳米二氧化钛光催化剂，以陶瓷为载体，以摩尔分数计，钒的掺杂量为0.5～1%，镧的掺杂量为1～1.5%，铜的掺杂量为0.5～1.1%，锌的掺杂量为0.5～1%，硅的掺杂量为10～12%，陶瓷载体占催化剂的质量含量为60%。

一种共掺杂纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将钒掺杂前驱体、镧掺杂前驱体、铜掺杂前驱体、锌掺杂前驱体和硅掺杂前驱体的无水乙醇溶液加入反应器中，用硝酸调整pH为1-3，搅匀；然后搅拌下滴加钛酸四丁酯的无水乙醇溶液，室温搅拌12～15小时进行水解，得到掺杂的二氧化钛溶胶；将洗净、烘干的成品陶瓷载体浸于掺杂的二氧化钛溶胶中50-60min，然后在120℃烘干10-12小时得到干凝胶；将所得干凝胶在炉内焙烧，从室温升至300℃，保持20-50min；然后升温至500℃，保持2h；再升温至650℃，保持2h；随炉冷却至室温，得到钒、镧、铜、锌、硅共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂。

所述钒掺杂前驱体是偏钒酸钠，所述镧掺杂前驱体是硝酸镧，所述铜掺杂前驱体是硝酸铜、所述锌掺杂前驱体是硝酸锌，所述硅掺杂前驱体是正硅酸乙酯。

本发明采用稀土和金属离子共掺杂制备的光催化剂，可引起TiO₂晶格的膨胀，适度的晶格膨胀会引起更多的氧缺陷，并成为捕获光生电子的陷阱，大大增强光生电子－空穴的有效分离，从而提高其光催化性能。

具体实施方式

为了更好的理解和实施，下面结合实施例详细说明本发明。

实施例1

将偏钒酸钠、硝酸镧、硝酸铜、硝酸锌、正硅酸乙酯按摩尔比0.5:1:0.5:0.5:10与无水乙醇混合加入反应器中，用硝酸调整pH为1，搅匀；然后搅拌下滴加钛酸四丁酯的无水乙醇溶液，室温搅拌12小时进行水解，得到掺杂的二氧化钛溶胶；将洗净、烘干的成品陶瓷载体浸于掺杂的二氧化钛溶胶中50min，然后在120℃烘干10小时得到干凝胶；将所得干凝胶在炉内焙烧，从室温升至300℃，保持20min；然后升温至500℃，保持2h；再升温至650℃，保持2h；随炉冷却至室温，得到钒、镧、铜、锌、硅共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂。

实施例2