[发明专利]一种金红石晶型纳米二氧化钛光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及二氧化钛光催化剂及其制备方法，尤其是涉及一种金红石晶型纳米二氧化钛光催化剂及其制备方法。

背景技术：

二氧化钛的化学性质稳定、无毒，是理想的光催化材料，广泛地应用于空气净化、抗菌、污水处理等领域。特别是纳米级二氧化钛具有优异的光催化性能和化学性能。但是对于单纯的纳米二氧化钛材料，作为光催化剂，其性能还是不能满足实际需要，因为其带隙较宽，只能吸收占太阳光约5% 的紫外光，对可见光不能有效地利用，使得在实际的应用当中受到了极大的约束和限制。为此，为了拓宽纳米二氧化钛光谱响应的范围，现有技术中常常对二氧化钛光催化材料进行改性处理，常用的改性手段有主要有：离子掺杂、半导体复合等。但是改性的效果受制备工艺及具体参数影响极大，优选技术方案才能取得理想的光催化效果。金红石是二氧化钛的高温相，传统的制备方法需要高温煅烧，易产生颗粒的团聚、晶体发育完整、结构缺陷少、颗粒较大，一般超过200nm，而水热合成的金红石颗粒很小，对光的利用率高，有很高的光催化活性。

发明内容：

本发明为提高纳米二氧化钛材料作为光催化剂的性能，对其进行氮离子掺杂并优化制备工艺及具体参数，有效扩展TiO₂的光谱响应范围，提高TiO₂活性，达到可见光的吸收峰红移最大，光催化活性最高，本发明的技术方案是：

1. 一种金红石晶型纳米二氧化钛光催化剂，所述的光催化剂是掺杂有氮的金红石晶型纳米二氧化钛，其特征在于：其中的氮与二氧化钛之间的原子百分比为1.35at% ：98.65 at%。

2.一种金红石晶型纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于：制备按照如下步骤进行： 

步骤1，按重量比为0.3%的比例，将氮化钛粉体溶于蒸馏水中后搅拌20分钟，然后向氮化钛水溶液中加入盐酸，直到溶液中的盐酸浓度为1.5mol/L后搅拌30分钟；

步骤2，将步骤1所得溶液在高压反应釜中加热到温度为280℃下反应的同时加强搅拌5h～8 h，冷却到室温后，用乙醇洗涤反应液中的沉淀物、过滤后在95～100℃下干燥2h，制得氮掺杂金红石晶型纳米二氧化钛光催化剂。

3.一种金红石晶型纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤1所述的盐酸为浓度36%～38%质量分数。 

4.一种金红石晶型纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤2所述的乙醇为浓度99.5%的无水酒精。 

通过实验发现，在制备过程中，搅拌能影响纳米颗粒的形状，有利于形成纳米球型颗粒。在搅拌条件下，获得的颗粒更小，球型形状更规则。在强烈搅拌下，可获得纯金红石颗粒；在不搅拌的情况下，获得的是锐钛矿和金红石的混合物，说明搅拌有利于晶型转变的发生。 

在制备过程中对纳米二氧化钛光催化剂产品的干燥工艺，使用小于90℃的过低干燥温度会延长干燥时间，其结果是导致光催化剂颗粒的硬团聚，降低了产品的光催化活性。 

在制备过程中使用盐酸调节的溶液中的盐酸浓度，影响到纳米二氧化钛的形成晶型，强酸性溶液条件下有利于金红石相的形成，提高溶液的pH值，逐渐有锐钛矿生成，优选溶液中的盐酸浓度为1.5mol/L，当盐酸浓度小于1 mol/L时，会部分生成锐钛矿。 

在制备过程中水热反应的温度和时间对纳米二氧化钛的晶粒的形貌有重要影响，反应温度180℃以上时得到的产品才有部分金红石型钛白粉，提高温度有利于金红石型二氧化钛的形成，同时温度越高，反应时间要相应缩短。当反应温度大于220℃时，形成的纳米晶体更规整，粉体粒径分布更加均匀，优选反应温度为280℃。在该温度下，反应时间5 h，即可达到反应要求。反应时间更长虽然有利于形成金红石颗粒，但是时间越长，颗粒尺寸越大、比表面积越小，颗粒由无规则转向棒状形状，降低了产品的光催化活性。