[发明专利]可见光响应的钴掺杂锐钛矿TiO2介晶、制备方法及光催化应用

说明书

技术领域

本发明属于光催化材料学领域，本发明提供一种可见光响应的钴掺杂锐钛矿TiO₂介晶及其制备方法和光催化应用。

背景技术

近年来，随着人类社会的快速发展和经济的迅速增长，导致了以石油和煤炭为代表的能源消费的成倍增长，由此而带来的环境污染和能源危机日益严重，成为人类生存亟待解决的关键问题。研究表明，通过光催化降解污染物，充分利用廉价并且“绿色”的太阳光，是解决全球性环境恶化和能源危机的一个重要途径。开发高活性且稳定的光催化材料是目前的研究热点，锐钛矿TiO₂作为一种典型的半导体是人们研究最多同时也被视为最佳的半导体光催化剂，由于其稳定性好、无毒、价廉，光化学转化率高。影响TiO₂光催化活性的两个关键因素是结晶性和比表面积，高的结晶性能够促进光催化过程中光生载流子的分离转移，大的比表面积可以增加光催化剂与反应物的接触几率。近来，介晶作为一类新兴的材料引起了人们的注意，他们具有不同于传统单晶和多晶的特殊结构、性质及非典型结晶过程，可以同时拥有高结晶性和大比表面积，这对于光催化过程而言是十分有利的。但是，目前高质量介晶的制备方法还不够成熟，周期较长。此外，太阳光中紫外光部分仅占4%左右，大部分仍为可见光，而锐钛矿TiO₂仅在紫外光区有较强的吸收，可见光利用率低。为了克服以上的不足，本发明首次采用了一种简单的方法得到可见光响应的钴掺杂锐钛矿TiO₂介晶，并将其应用于可见光光催化领域。

发明内容

为解决上述问题，本发明首次提供了一种可见光响应的钴掺杂锐钛矿TiO₂介晶及其制备方法和光催化应用。既实现了锐钛矿TiO₂介晶的大规模合成，同时又实现了对其进行钴掺杂，将其光响应范围拓宽到了可见光区，增加了对可见光的利用率。该方法条件温和，操作简便，周期短，可在较低温度下合成出大面积的高纯度的可见光响应的钴掺杂锐钛矿TiO₂介晶，并具有良好的可见光光催化性能。

实现本发明的技术解决方案为：

一种可见光响应的钴掺杂锐钛矿TiO₂介晶，所述的介晶通过在锐钛矿TiO₂介晶中掺杂钴形成，其中介晶呈均匀的锭子状，介晶长度为80-120nm，宽度为25-40nm。

一种可见光响应的钴掺杂锐钛矿TiO₂介晶的制备方法，其具体步骤如下：

步骤1，将钛酸丁酯前驱体与正硅酸四乙酯混合搅拌均匀；

步骤2，将三水合乙酸钠与四水合乙酸钴在乙酸中搅拌溶解；

步骤3，将步骤2所得溶液缓慢加入到步骤1所得体系中，并继续搅拌均匀；

步骤4，将步骤3所得的反应体系转移至反应釜中进行溶剂热反应；

步骤5，将步骤4所得产物经去离子水、无水乙醇离心洗涤，再经干燥后得到所述的可见光响应的钴掺杂锐钛矿TiO₂介晶。

步骤1中所述的正硅酸四乙酯与钛酸丁酯的质量比为0.04:1。

步骤2中所述的三水合乙酸钠与钛酸丁酯的质量比为1:5，四水合乙酸钴与钛酸丁酯的质量比为3-40毫克/克，乙酸与钛酸丁酯的质量比为2:1。

步骤4中所述的溶剂热反应温度为180℃，反应时间为10-14小时。

一种可见光响应的钴掺杂锐钛矿TiO₂介晶的光催化应用，包括以下内容：将0.03克钴掺杂锐钛矿TiO₂介晶粉末分散在30毫升的10毫克/升罗丹明B溶液中，先搅拌一小时使罗丹明B和光催化剂粉末达到吸附-脱附平衡，然后在可见光照射下光催化降解罗丹明B。

本发明的优点为：(1)本发明首次提供了一种可见光响应的钴掺杂锐钛矿TiO₂介晶及其制备方法，既实现了锐钛矿TiO₂介晶的大规模合成，同时又实现了对其进行钴掺杂，将其光响应范围拓宽到了可见光区，增加了对可见光的利用率。该方法操作简便，周期短，所合成的钴掺杂锐钛矿TiO₂介晶形貌均匀，分散性好，纯度高；(2)用此钴掺杂锐钛矿TiO₂介晶作为光催化降解污染物的光催化剂，表现出了良好的可见光光降解活性，在可见光光催化领域具有重要的应用前景。

附图说明

图1为实施例1所制得钴掺杂锐钛矿TiO₂介晶的X-射线衍射图。