[发明专利]一种光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种光催化剂及其制备方法和应用。所述光催化剂由金属钛颗粒及生长在金属钛颗粒表面上的纳米线二氧化钛组成，所述光催化剂中金属钛颗粒同生长在金属钛颗粒表面上的纳米线二氧化钛的质量比为4:1~1:4，所述光催化剂中纳米线二氧化钛的比表面积为20~100m²/g，所述光催化剂的直径为5~40μm，所述生长在金属钛颗粒表面上的纳米线二氧化钛的长度为0.05~3μm，所述生长在金属钛颗粒表面上的纳米线二氧化钛的直径为12~40nm。所述光催化剂能够在金属钛颗粒的表面生长出纳米线结构的二氧化钛，并且制备方法简单，产率高。

技术领域

本发明涉及一种光催化剂及其制备方法和应用，具体地说涉及一种TiO₂光催化剂及其制备方法和应用。

技术背景

光催化技术是一种通过催化材料对光子的吸收从而产生高能电荷载流子，即光生电子空穴对，其具有强的氧化还原能力。自从首次在二氧化钛的电极表面发现光致水分解的现象后，光催化技术经过了四十多年的努力尝试和拓展，到今天，它已经发展成为了一个结合材料科学，界面反应学以及计算化学等多学科，以达到实现太阳能利用与转化的研究领域。在过去的几十年，多种不同组成和结构的具有光响应效果的催化剂被开发合成并实践到不同的应用中，例如水裂解反应与二氧化碳还原等清洁能源的开发应用，或者污水处理与空气净化等环境治理的技术应用。

随着纳米技术研究的深入发展，新型半导体材料在各个领域得到了广泛的应用，纳米二氧化钛因其本身很好的化学稳定性和良好的催化活性，且廉价无毒等优异性能，受到了越来越广泛的关注。二氧化钛传统的制备方法主要有水热法，溶胶－凝胶法，化学气相沉积法等，这些制备方法得到的材料通常是无序排列、堆积而成的纳米结构，且生产成本高，产量效率低。近年来的相关研究也有报道了一些新的纳米材料制备方法，如电化学阳极氧化法，磁控溅射法，微波水热法，液相喷雾法等，这些制备方法得到的材料虽然具有在长程范围内排布规律且有序稳定的纳米结构，但其合成工艺复杂且制备条件苛刻，容易造成危险。

CN103894163A公开了一种高性能纳米TiO₂光催化剂材料及其制备方法，该光催化剂材料由中空纳米结构多面体TiO₂粒子构成，该中空纳米结构多面体TiO₂粒子具有暴露面均为{101}面的内外双层高活性面结构，其孔洞大小为100～200nm。其制备方法为：(1)将钛粉、氢氟酸和双氧水在去离子水中混合均匀后再转移到反应釜中；(2)将反应釜密封后，于180℃保温3h；(3)自然冷却，离心分离收集固体产物；(4)将固体产物重新分散到装有乙二醇的反应釜中，密封反应釜置于烘箱中于160~220℃保温48~72h；(5)自然冷却，离心分离，将产物烘干即可。该光催化材料具有高的光催化活性和降解有机污染物的能力，可在室温太阳光照下直接应用于光催化降解水体中的有机污染物。其制备方法简单，成本低廉。

CN102600819A公开了一种多孔二氧化钛光催化薄膜及其制备方法，通过基底参与氧化反应同时利用离子液体作为模板剂并控制反应速率，可直接在钛片表面得到纯锐钛矿相氧化钛薄膜，制备步骤如下：配置双氧水溶液与离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的混合溶液；金属钛片浸没于反应液里，置于80℃烘箱中反应数小时；将反应后的钛片取出后焙烧即可得到二氧化钛薄膜。本发明原料易得，工艺简单，条件易控，制备周期短，易放大。制备的纯锐钛矿结构二氧化钛膜结晶度高，纯度高，与基底结合牢固，稳定性好，可重复使用。

CN103130270A公开了一种以钛粉为前驱物、可规模化制备纯二氧化钛纳米粉体的方法：把金属钛粉和一定量的体积的浓碱加入聚四氟乙烯内衬的高压釜中，在190~220℃的烘箱中反应10~20小时，过滤得到钛酸沉积物，在400-500℃温度下煅烧制得氧化钛粉体材料。CN10242697A公布一种具有高能空心结构的二氧化钛，该方法使用金属钛粉与氟化氢和过氧化氢的水溶液直接反应制得由高能面的片状粒子团聚组成颗粒大小为1~3微米的空心结构的二氧化钛。上述以钛粉为原料，制备了具有光催化活性的二氧化钛粉体，但这两种氧化钛均为与水相难以分离的单纯的氧化钛纳米颗粒。