[发明专利]一种氮、氟共掺杂二氧化钛介孔微球光催化材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备及环境光催化领域，具体涉及一种氮、氟共掺杂二氧化钛介孔微球光催化材料及其制备方法。

背景技术

TiO₂来源丰富、无毒无味、物理化学性质稳定以及生物相容性能好等优点成为最常见的光催化剂。然而，TiO₂在光催化反应过程中光生电子和光生空穴寿命极短，在光催化反应过程中极易复合，使其在光催化过程中量子效率较低；TiO₂的能带宽度为3.2 eV左右，不能响应可见光，太阳光能中只有不到5%的可以被利用，这使得TiO₂广泛的工业应用受到极大制约。为了解决这些问题，大量的研究工作围绕二氧化钛催化剂优化展开。第一个方向是TiO₂光催化剂的改性（包括各种金属元素掺杂、贵金属表面沉积、半导体复合、改变表面酸性等）；第二个方向是合成各种的纳米尺寸不同形貌的光催化。大量研究工作取得了一定进展，但仍未从根本上解决光催化过程效率这一重大难题。目前和今后一个时期，开发能响应可见光、高效、廉价、无毒和稳定的光催化剂，提高光催化过程太阳能利用率和量子效率仍然是光催化领域的焦点和核心问题之一。

二氧化钛的掺杂已经被证明是一种有效优化二氧化钛能带得到可以响应可见光的光催化剂的方法。在各种元素掺杂中，以氮掺杂的二氧化钛的研究最受关注，然而仅仅以氮掺杂得到的光催化剂量子效率仍然不够高。因此希望同时掺杂其他元素，来进一步提高催化剂的太阳光利用率和反应过程量子效率。此外催化剂的形貌也被证明对催化剂的光催化的催化效率影响显著，有研究表明球型的催化剂可以提高催化剂的光利用率，因此可以提高催化剂的催化效率。

目前制备具有形貌的掺杂的催化剂可以使用水热法、溶剂热法、沉淀法等，但这些是通常需要反应时间长、高温、高压，并且需要外加模板剂，因此不易在工业化上推广应用。本发明中我们将超声雾化法应用于制备N，F共掺杂的催化剂，合成的催化剂具有介孔球形结构，氮和氟有效地掺杂到催化剂中，得到能响应可见光的光催化剂，且该制备方法具有工艺简单易行、生成连续，有利于工业化中的大规模生成应用的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种响应可见光的氮、氟共掺杂二氧化钛介孔微球光催化材料及其制备方法。该方法工艺简单，成本低，产率高，符合实际生产需要，有较大的应用潜力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

  一种氮、氟共掺杂二氧化钛介孔微球光催化材料，所述光催化材料氟的质量分数为1.5 -3%，氮的质量分数为0.8 -5.2%，余量为二氧化钛。

所述光催化材料呈锐钛矿型。

所述光催化材料氟的质量分数为1.2 %，氮的质量分数为4.7%，余量为二氧化钛。

所述光催化材料中氟、氮两种元素能同时有效地取代TiO₂晶格位的O形成掺杂能级。

所述光催化材料由纳米晶材料堆积而成。

所述光催化材料为球型颗粒，其球型颗粒的直径为100 nm-1000 nm。

一种氮、氟共掺杂二氧化钛介孔微球光催化材料的制备方法，

所述制备方法为超声雾化法，其包括下述步骤：

1)将四氟化钛溶解在浓度为1. 0 mol/L盐酸溶液中，经过1-3小时搅拌后，得到透明的前驱液；

2)前驱液在超声雾化器作用下在反应瓶内经过雾化，与氨气一起形成富含微小液滴的气溶胶，所述超声雾化器频率为1.7 MHz；

3)气溶胶在真空泵带动下进入高温管式炉，每个气溶胶在管式炉内形成一个微反应器，反应温度为500-600 ℃，氨气流速在10-30 L/min，反应过程中四氟化钛水解，形成二氧化钛，氮、氟两种元素掺杂进二氧化钛晶体中，并形成球型颗粒状的固体粉末；

4)在真空泵的带动下，将步骤3）得到的固体粉末抽到蒸馏水中收集，洗涤，离心后，于75~85 ℃烘干； 

5）将经过步骤4）处理的固体粉末继续在马弗炉内以450~550 ℃的温度煅烧1.5~2.5小时，升温速度为1-5 ℃/min，得到黄色的氮、氟共掺杂二氧化钛介孔微球光催化材料。