[发明专利]铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于二氧化钛光催化剂领域，具体涉及一种铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂及其制备方法和应用。

 

背景技术

光催化技术是近年来发展起来的污染物处理技术，在光照作用下，经过一系列的反应产生具有强氧化能力的自由基，能够将水体中的有机污染物彻底氧化矿化。半导体光催化降解有机污染物不仅具有生物降解无可比拟的速度快、无选择性、降解完全等优点，又在价廉、无毒、可长期使用等方面明显优于传统的化学氧化方法，因而备受人们的关注。在众多半导体光催化材料中，二氧化钛具有有价廉、无毒以及较强的光催化氧化能力而广泛用于水体中难生物降解的有机污染物处理。

在众多形态的二氧化钛材料中，以Ti片为基底制备的二氧化钛纳米管阵列，具有比表面积大，孔径可调，结构有序，与基体结合牢固，不易脱落，不会产生二次污染的特点，近年来被广泛应用于光催化降解有机污染物。但是，二氧化钛纳米管阵列的禁带宽度较宽（3.2eV），只对紫外光有响应，而此部分紫外光只占太阳能的3-4%，对太阳光的利用率十分低；此外，光生电子和空穴在产生的10^-9s内复合，导致量子效率很低，限制其实际应用。因此需要对二氧化钛纳米管阵列进行修饰改性，目前国内外的改性方法主要包括金属离子掺杂、非金属离子掺杂、半导体复合、贵金属沉积等，或者是几种方法同时使用。而一步同时将三种以上元素掺杂进阳极氧化法制备的二氧化钛纳米管阵列的制备方法亟待研发。

 

发明内容

解决的技术问题：本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂及其制备方法和应用，该催化剂晶型良好、光电性能优良。

本发明的技术方案：

铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法，步骤如下：

步骤一：将Ti片打磨光滑，浸入强酸混合液中，化学抛光10~50s，后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗5~30min，后烘干备用；其中所述强酸混合液为HF和HNO₃和H₂O的混合液，HF、HNO₃和H₂O的体积比为1~2：4~ 10：5 ~10；

步骤二：在20-60V直流电压下，以步骤一所得Ti片为阳极，以Pt片为阴极，在电解液中阳极氧化Ti片2~8h，得无定型二氧化钛纳米管阵列； 

步骤三：将步骤二所得无定型二氧化钛纳米管阵列于氮气氛围下高温煅烧，煅烧温度为400-600°C，煅烧时间为1-4h，：使其晶化成型，即得铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂。

以上所述的铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法，步骤一中，HF、HNO₃和H₂O的体积比为1：4：5。

以上所述的铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法，步骤二中所述电解液包括按照质量份数计的如下组分：去离子水为1-10wt%，九水合硝酸铁为0.04-0.4wt%，氟化铵为0.1-2wt%，余量为乙二醇。

所述的铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法，步骤二中，在40V直流电压下，以步骤一所得Ti片为阳极，以Pt片为阴极，在电解液中阳极氧化Ti片4h。

上述的铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法，步骤三中的煅烧温度为450°C，煅烧时间为2h。

铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法制得的铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂。

铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂的制备方法制得的铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂在降解有机污染物中的应用。

 

有益效果

第一，本发明利用电化学阳极氧化法，在含去离子水、硝酸铁、氟化铵的乙二醇电解液中，氧化钛片，制得的无定型二氧化钛纳米管阵列，然后在在氮气氛围下高温煅烧，制备出晶型良好、光电性能良好的铁、氮、氟共掺杂二氧化钛纳米管阵列光催化剂；

第二，本发明以氮掺杂二氧化钛，使其具有更窄的带隙宽度和更强的可见光吸收能力，有效地拓宽其在可见光的吸收范围；以铁和氟掺杂二氧化钛，降低了其光生电子和空穴的复合几率，提高了其光电转换的效率，从而提高了在光反应过程中羟基自由基的浓度，在光催化降解有机污染物如苯酚的研究中，展现出很好的可见光光催化性能；