[发明专利]一种二氧化钛金属酞菁复合纳米粉体及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于无机-有机复合纳米催化材料制备技术领域，具体涉及金属酞菁敏化二氧化钛纳米粉体的制备方法。

 

背景技术

以TiO₂为代表的传统半导体纳米晶光催化剂是目前光催化涂料的主要活性功能物质，这类涂料具有净化空气、降解有机物、抗菌、自清洁等功能，对解决目前污染治理、节能减排等重大社会关切问题具有重要意义。由于其具有成本低、光化学性质稳定、无二次污染等优点而受到广泛关注。

然而，TiO₂的禁带宽度（3.2 eV）较大，只能对波长小于387 nm的太阳光进行有效吸收，这部分只占太阳光谱总能量不到10%，而对其余占太阳光总能量>90%的可见和近红外辐射无法利用；同时，TiO₂纳米晶光催化剂的光致电荷分离态（电子-空穴对）易于复合，导致光量子效率降低，通常不会超过10%。这两点使得传统TiO₂光催化技术的总体效率非常有限，极大的限制了其推广应用。

染料敏化技术可以有效扩展半导体纳米晶的光谱响应范围，提高光致电荷分离的量子产率，从而优化其光催化效率。酞菁金属配合物是一类性能优异的有机功能染料，具有下列特点：1）较宽的光谱响应范围（200-700 nm）和高达10⁶的摩尔消光系数，从而具有很好的吸光能力；2）较小的电子重组能和较强的给电子能力，从而可以提高染料-纳米晶界面的电荷分离能力，提高光能利用效率；3）良好的化学修饰性能，可以通过共价或超分子作用与基体进行稳定的耦合；4）较高的光稳定性、化学稳定性和热稳定性，可以有效限制光漂白和自敏化降解，保证较长的使用寿命和复杂环境适应性。上述特点表明酞菁类染料特别适合于作为TiO₂纳米晶的敏化剂，用于复合光催化功能材料的制备。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种简洁、适宜于大规模生产的方法，用于制备具有可见和近红外光谱响应的有机-无机复合纳米粉体，具体为酞菁敏化二氧化钛纳米粉体。

本发明所说的二氧化钛金属酞菁复合纳米粉体由二氧化钛纳米粉体和金属酞菁组成，其中金属酞菁与二氧化钛的质量比为0.5-1.0:100。

本发明的另一目的是提供上述的二氧化钛金属酞菁复合纳米粉体的制备方法，步骤如下：将一定量的二氧化钛纳米粉体和过量的金属酞菁混合均匀，加入容器中，加入足量的有机溶剂，经加热搅拌、过滤洗涤及加热干燥后得到复合粉体；其中，所述二氧化钛纳米粉体和金属酞菁的质量比为100:2。

所述的金属酞菁可以是磺化酞菁钴或未取代的酞菁铜。

所述的二氧化钛纳米粉体可以是商品化的纳米级二氧化钛，包括金红石型TiO₂P25、金红石型TiO₂P15、锐钛矿型TiO₂P15等。 

所述的有机溶剂包括： N, N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、吡啶，具体根据所用的金属酞菁选择，对磺化酞菁钴选用DMF或DMSO，对未取代的酞菁铜选吡啶；溶剂用量没有限制。

加热搅拌温度在80-150℃之间，具体根据不同的溶剂而定，具体为：DMF，100℃；DMSO，150℃；吡啶，80℃。

加热搅拌时间为4-6小时，可用机械或电磁搅拌。

所述过滤和洗涤用0.45μm微孔滤膜在抽滤装置中进行，所述溶剂包括N, N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、吡啶、丙酮、四氢呋喃、乙醇和水。

加热干燥可以在烘箱中进行，加热温度100-110℃，干燥时间3-6小时。

制得的复合粉体中，金属酞菁与二氧化钛的质量比一般在0.5-1.0:100范围。

利用漫反射和吸收光谱分析发现复合材料在可见和近红外区的光谱响应比单纯二氧化钛纳米粉体得到了显著加强。

以本方法制备的二氧化钛/磺化酞菁钴复合纳米粉体和二氧化钛/未取代菁酞铜复合纳米粉体与TiO₂P25比较，发现复合粉体在400-800 nm区域的光吸收能力非常强，而TiO₂P25在该区域没有吸收。

本发明的优点是制备过程简洁，得到的纳米复合材料性能稳定，性价比高，适宜于大规模生产，可用于光催化治理大气及水体污染。

 

附图说明