[发明专利]一种氟硼共掺杂TiO2纳米片的制备方法及用途

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料与纳米技术领域,具体是涉及一种氟硼共掺杂TiO₂纳米片、制备方法及用途。

背景技术

自上世纪七十年代光催化现象发现以来，光催化材料的设计、制备及其光催化活性的提升一直是科学家们研究的前沿热点领域，锐钛矿TiO₂作为最重要的金属氧化物之一，在光催化领域被广泛而深入的研究，它具有无毒无害、催化效率高、稳定性好、成本低廉等优点，是一种理想的光催化材料。

通常来讲，基于半导体的光催化过程主要涉及到三个关键步骤：1）激发光照射诱导电子由价带迁移至导带，形成电子-空穴对；2）光诱导产生的电子和空穴向半导体表面迁移或在半导体内部重新复合；3）迁移至表面的电子和空穴参与到氧化还原反应中。这三个方面的因素都能对半导体材料的光催化性能施加一定的影响。首先带隙宽度决定了可吸收的光的波长范围，决定对太阳光的整体利用效率；其次电荷向表面的迁移与体内的重新复合是两个相互竞争的过程，向表面迁移的电荷越多，其光催化效率越高，反之光催化效率下降；最后比表面积越大、所暴露晶面的镜面能越大启光催化活性越强。因此，目前的研究重点主要集中在三个领域：能带调控（增加对可吸收的光的波长范围）、电子-空穴对调控（限制体内的重新复合，增加向表面迁移的电荷数）和微观形貌调控（增加比表面积并暴露更多高活性晶面）。

1）、能带调控

TiO₂（3～3.2eV）只能利用阳光4%的紫外光部分，为了更加有效地利用太阳光能，必须对半导体材料的能带进行一定的修正，使其带隙变窄以发展出具有可见光响应的高效光催化材料。为了实现这一目标，主要通过降低价带边缘、升高导带边缘或同时对导带和价带进行连续调节等途径。而目前常用的几类具体实验方法有：金属离子如V、Ni、Cr、Fe、Mn、Ag、Sn、Bi、In、Cu、Ce、Pt、Co、La等被用于TiO₂的掺杂，掺杂的金属原子往往成为光生电子-空穴复合中心，限制光生载流子的分离，以提高其对可见光的吸收及其光催化活性；非金属元素如C、N、Si、S、P、B等都被用于TiO₂的掺杂或共掺杂，使其吸收波长发生红移，进而展现出增强的可见光光催化活性。

2）、电子-空穴对调控

由于光生电荷向表面的迁移和在体内的复合是两个相互竞争的过程，而后者是降低光催化剂催化活性的主要影响因素之一。贵金属如Au、Ag、Pt、Pd、Ru、Rh、Cu等作为共催化剂被广泛应用于TiO₂光催化研究，主要是由于其费米能级显著低于半导体的，因此光生电子极易在这些金属粒子上富集，而空穴则保留在半导体内，同时金属纳米颗粒作为共催化剂能够为表面光催化反应提供活性中心。

3）、微观形貌调控

表面/界面化学性质是影响半导体光催化性能的优异关键因素。一般说来，高的表面能带来高的催化活性，催化剂比表面积越大，表面上反应物越易吸附而生成物越易脱附，则光催化过程进行越快越容易，高的表面能带来高的催化活性，对于锐钛矿TiO₂来说，普通情况下暴露在外面的晶面主要是表面能最低的（101）面（>94%），而不是表面能最高、催化活性更好的（001）面。因此合成暴露高活性晶面（001）TiO₂是一个重要的研究方向，制备大量新颖独特的纳米颗粒和具有复杂层级构造的超结构以增强其光催化活性。

综合上述讨论，可以看出，在制备具有高光催化效率的TiO₂过程中，还未见文献报道能够同时实现可吸收可见光、高光生载流子迁移效率、（001）晶面暴露TiO₂可控制备技术。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一在于提供一种氟硼共掺杂TiO₂纳米片，该氟硼共掺杂TiO₂纳米片对可见光的吸收率明显提高，且具有明显的红移现象，提高了光生电子-空穴的迁移效率，且（001）高活性晶面的大量暴露，可见使该氟硼共掺杂TiO₂纳米片的光催化性能得到了显著增强。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种氟硼共掺杂TiO₂纳米片，为锐钛矿相结构，氟和硼掺入晶格中，且暴露的晶面为（001）晶面，其呈片状形貌，纳米片的厚度为1～100nm，构筑单元纳米片的边缘呈圆滑过渡。