[发明专利]一种快速检测氧化钛中氧空位的方法

说明书

技术领域

本发明属于氧化钛催化剂研究领域，具体涉及一种利用氧化钛的氧空位与乙醚催化发光反应的相关性，以乙醚作为分子探针来快速检测氧化钛中氧空位的方法。

背景技术

氧化钛具有十分优异的光学特性，高的化学稳定性，热稳定性，无毒性且在自然界中储存量大，在很多领域都显示出很好的发展前景。研究发现，氧化钛的性质不仅仅依赖于其几何以及电子结构，同时也受到其缺陷结构的影响。目前，已经有很多的科学工作者致力于氧化钛缺陷的化学、电学以及光学性质研究，以更好的调控氧空位的浓度，从而来促进催化反应。在这些氧化钛的缺陷中，氧空位被认为是有突出研究意义的缺陷。理论计算和实验表征显示，二氧化钛中的氧空位能作为光生电子陷阱，从而有效的增强其光催化活性。因此，有效的评价氧化钛中氧空位的浓度对于通过合适的手段调控氧化钛的性质具有非常重要的意义。

然而，由于氧空位具有不稳定，浓度低的性质，导致其很难被检测。目前用于氧空位检测的方法主要有表面滴定法，电子顺磁光谱(ESR)，X-射线光电子能谱法(XPS)。例如：A.N.Petrov,Solid State Ionics 1995,80,189-199该文献采用表面滴定法，该方法为传统的氧空位定性和定量分析方法，其缺点是当TiO₂催化剂颜色较深时，滴定终点容易受到干扰而产生一定的误差。文献Xu,X.Inorg.Chem.2015,54,1556-1562利用电子顺磁光谱(ESR)对氧空位进行了有效的表征，但是通常这种方法对系统的要求比较高，同时需要专业的技术人员操作；文献Murray,C.B.J.Am.Chem.Soc.2012,134,6751-6761采用X-射线光电子能谱法(XPS)，利用O 1s的XPS结合能很好的表征了TiO₂表面的氧空位，但是这种方法相对成本较高，耗时长，这就限制了该技术的广泛应用性。研究一种快速、简便的评价氧化钛中氧空位的方法是相当重要的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种快速检测氧化钛中氧空位的方法，该方法简便、快捷，具有较高的实际应用前景。

该方法以乙醚分子作为探针，利用金属离子掺杂的TiO₂以及氢气热处理过的TiO₂的催化活性与其氧空位含量的相关性，结合气体催化发光来快速检测氧化钛的氧空位，进而对氧化钛的催化活性进行筛选评价。在气体状态下，首先，气体分子乙醚和氧气扩散到氧化钛表面；氧化钛表面的氧空位具有较强的吸附氧气分子的能力，吸附到氧空位的氧气可以通过捕获一个自由电子形成具有较强氧化性的超氧种类(O₂^-)，然后，化学吸附态的乙醚分子与O₂^-反应生成激发态的乙醛分子(CH₃CHO^*),激发态的乙醛分子回到基态的过程会产生一定的能量，该能量以光学的形式释放出来，并由光电倍增管放大信号检测。根据氧化钛中氧空位的量与发光信号成正比，通过测定发光信号的强弱，实现氧化钛中氧空位的快速检测，同时可以筛选到适合的氧化钛催化剂。

检测氧化钛中氧空位的装置如图1所示，其中空气泵、气化室、石英管通过硅胶管连接，石英管置于化学发光分析仪中；石英管内有一个可拆卸陶瓷棒，一个接触变压器给陶瓷棒加热；化学发光分析仪与电脑连接。

氧化钛中氧空位的具体测试方法如下：

A.将氧化钛粉末加入去离子水中配成0.50-0.55g/mL的浆液，均匀涂覆到陶瓷棒上，涂覆的厚度为0.45-0.50mm。

所述的氧化钛是掺杂了M金属离子的，M为Cu，Fe，Co，Cr离子之一，M的掺杂量占TiO₂的质量百分含量是0.5％-2.0％以及经过250℃-400℃氢气气氛下焙烧处理30-60分钟的氧化钛。

B.待步骤A陶瓷棒上的浆液微干，将陶瓷棒装入化学发光分析仪器内部的石英管中；除去空气泵中的水、用经活性炭过滤后的空气作为反应的载气，控制流速在200-300mL/min，使得气体流速均匀的通过石英管中陶瓷棒的表面；用接触变压器给陶瓷棒施以100-110V的电压，将陶瓷棒的温度升至检测的温度150-200℃；