[发明专利]超声诱导过渡金属氧化物纳米晶产生无序化的方法及产物

说明书

技术领域

本发明属于金属氧化物功能材料的改性领域，特别涉及一种超声诱导过渡金属氧化物产生无序化的方法及产物。

背景技术

纳米TiO₂由于其优异的光化学反应和电子输运性能，被广泛应用于光催化和染料敏化太阳能电池等领域。然而，其常规禁带宽度（3.2~3.7eV）使其只能响应紫外光，严重限制了它的实际应用。向TiO₂中掺入各种金属或非金属杂原子可以产生带间能级，使其禁带宽度变窄，但由于量子尺寸效应的影响，其可见光吸收依然不足。近年来，TiO₂的无序化工程被提出并广泛讨论。一般来说，TiO₂的无序化多采用氢气处理的方法，使TiO₂纳米晶表面羟基化程度升高，诱导产生无序层，无序相引起局部能带弯曲，造成禁带宽度变窄和可见光吸收增强，最终的结果是纳米TiO₂宏观颜色变黑，光催化性能提高。尽管对纳米TiO₂的无序化工程机理还有很多争议，但大多数实验结果表明这是一个纳米TiO₂改性的有效途径。不过，采用氢气处理终究存在操作复杂、成本高昂和安全性低等问题。后续研究有采用等离子体溅射或铝还原法诱导纳米TiO₂无序化，也取得了不错的效果。

许多过渡金属氧化物由于结构和TiO₂类似，也会具有光催化性质，例如ZnO、ZrO₂、Fe₂O₃和SnO₂，然而对这些过渡金属氧化物的研究没有TiO₂那么广泛，而其中关于无序化工程的研究更是处于空白。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了超声诱导过渡金属氧化物纳米晶产生无序化的方法及产物。

本发明采用的技术方案为：

一种超声诱导过渡金属氧化物纳米晶产生无序化的方法，将过渡金属氧化物纳米晶原料溶解于去离子水中得到溶胶，对所述溶胶进行超声处理，之后在烘箱中干燥得到无序化的过渡金属氧化物；所述的无序化过渡金属氧化物，对比超声前的原料，晶粒缩小、羟基含量增加、吸收增强、禁带宽度变窄以及光催化性能提高。

所述的过渡金属氧化物纳米晶原料包括TiO₂、ZnO、ZrO₂、Fe₂O₃和SnO₂，自制或者直接购买商用纳米晶。

所述的超声处理，超声时间8小时，功率密度1500W/100mL，频率25kHz，80℃恒温条件下进行。

所述干燥的温度为80℃。

一种任一项所述的方法得到无序化的过渡金属氧化物。

本发明的有益效果：本发明将TiO_2、ZnO、ZrO₂、Fe₂O₃和SnO₂等过渡金属氧化物，通过简便的超声手段实现了其纳米晶的无序化，并成功实现了材料改性，表现出更深的颜色、更大的可见光吸收、更窄的禁带宽度和更高的光催化活性，大大拓展了无序化工程的应用范围。相比于现有技术，更环保，具有更好的工业应用前景。其中ZnO、ZrO₂、Fe₂O₃和SnO₂等过渡金属氧化物纳米晶的无序化改性为首次公开。

附图说明

图1是五种过渡金属氧化物超声处理前后样品照片。对比可发现超声处理后样品颜色加深；

图2是五种过渡金属氧化物的XRD图谱，通过谢乐公式计算表明超声处理后的样品晶粒尺寸会收缩；

图3是五种过渡金属氧化物的HRTEM照片，超声处理后的样品晶格表面会出现无序相。其中Fe₂O₃由于磁性对仪器的影响无法得到照片；

图4是五种过渡金属氧化物的O1sXPS照片，每个样品的XPS谱可以分解为两个高斯峰，其中位于528.1eVto531.1eV的高斯峰代表X-O键，另一个位于530.9eVto532eV的高斯峰代表X-OH键（X代表金属原子）。通过峰面积的定量分析表明，超声处理后的样品羟基化程度升高；

图5是五种过渡金属氧化物的光吸收谱，超声处理后的样品光吸收强度会增加；

图6是五种过渡金属氧化物的VBXPS谱，分别表示出了每个样品的价带位置和局部能带弯曲后，价带顶蓝移到的位置；