[发明专利]一种暴露高能晶面{001}金红石型硼掺杂二氧化钛微球的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛微球的制备方法，具体涉及一种暴露高能晶面{001}金红石型硼掺杂二氧化钛微球的制备方法，属于无机材料制备技术领域。

背景技术

环境污染和能源危机是困扰当今世界经济发展的两大难题，化石燃料的大量使用不仅对全球的环境和生态造成巨大的污染，而且这些能源是不可再生资源，全球的存储含量估计到本世纪中叶即将枯竭。因此，如何解决环境污染问题已迫在眉睫。自从1972 年Honda和Fujishima 等发现TiO₂单晶电极在光的作用下具有一定的氧化还原性能以来，科学家们为解决环境污染这一难题提出了一个高效节能的解决方法：利用太阳光来分解有机污染物。

传统的半导体光催化剂主要是无机化合物，包括金属氧化物、硫化物、氮化物、磷化物及其复合物等，最具代表性的是TiO₂。TiO₂不溶于水、抗腐蚀能力强、廉价而方便处理、生物功能、光化学性能稳定、对环境无污染等优点，成为了一种理想的光催化剂。然而TiO₂的能带隙为3.2 eV，只有波长低于380 nm以下的紫外光才能激发价带电子的跃迁，而太阳光谱中紫外光不足5%，而波长为400-750 nm的可见光占到45%左右，这从根本上制约了TiO₂光催化剂的实际应用。目前，研究者通过掺杂、半导体复合、染料敏化、贵金属负载和共轭聚合复合等方法拓宽TiO₂的光吸收带边，提高光催化活性。掺杂是对TiO₂改性一种有效的方法，不仅可以促进TiO₂的光吸收带边红移，而且可以提高其光催化活性。而暴露具有暴露高能晶面{001}金红石型硼掺杂二氧化钛微球至今没有报道。

在硼掺杂二氧化钛的制备方面，目前的制备方法主要是溶胶-凝胶法，该方法用做硼源的物质主要是硼酸和硼酸三乙酯，而钛源包括钛无机盐如TiCl₄和钛醇盐，如钛酸异丙酯、钛酸丁酯。然而该方法B的掺杂量在二氧化钛晶格中有限，由于B离子掺杂过多，将会从二氧化钛晶体内部析出形成B₂O₃。机械-化学法也有报道，虽然机械-化学法的制备过程简单，但是由于受力不均，产物的粒径分布及掺杂元素的分散程度不好。水热合成法形成的产物纯度高，分散性好，分为一步和两步水热法。魏凤玉等将钛盐溶液、硫酸和硼酸直接进行水热处理后，沉淀经多次洗涤后于90℃下烘干即得硼硫共掺杂改性的催化剂。赵燕宁等用两步水热法制备了B-TiO₂，将TiO₂溶液与硼酸混合搅匀后置于聚四氟乙烯反应釜中，在85℃水热反应5 h，然后于110℃反应20 h，得到的胶体干燥后煅烧即可。

本发明选用硼化钛作为原料，加入到NaF和盐酸的混合溶液，在水热环境下反应，一步即可制得具有暴露高能晶面{001}金红石型硼掺杂二氧化钛，制备工艺简单，重复性好。制备出的B-TiO₂微球尺寸可控、大小均匀，平均直径约为3-5μm；硼元素体相掺杂，分布均匀，掺杂量大小可控；高能晶面{001}暴露率几乎达到100%。制备出的B-TiO₂微球具有优异的可见光催化活性，有望在光解水制氢、降解有机污染物等领域获得广泛的应用。

发明内容

本发明提供一种暴露高能晶面{001}金红石型硼掺杂二氧化钛（B-TiO₂）微球的制备方法，制备工艺简单，重复性好；制备出的B-TiO₂微球尺寸可控、大小均匀，平均直径约为3-5μm，高能晶面{001}暴露率几乎达到100%，而且B-TiO₂微球具有优异的可见光催化活性。

为实现上述发明的目的，本发明采取的技术方案如下：

一种暴露高能晶面{001}金红石型B-TiO₂微球的制备方法，包括如下步骤：

（1）将500 mg~1000 mg硼化钛加入到NaF和盐酸的混合溶液中，其中NaF的浓度为0.015mol/L，盐酸的浓度为1-3 mol/L，强力搅拌15~60 min，获得混合液；

（2）将步骤（1）获得的混合液转移到内衬四聚氟乙烯的水热反应釜中；

（3）将内衬四聚氟乙烯的水热反应釜置于干燥箱中，保持恒温200℃，反应 12~24 h，然后自然冷却至室温；