[发明专利]一种具有高可见光催化活性的多缺陷多掺杂二氧化钛纳米颗粒及制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高可见光催化活性的多缺陷多掺杂二氧化钛纳米颗粒及制备方法，该二氧化钛大小为10～20纳米，粒径为10～20纳米，比表面积为140～160cm³，{001}与{101}面共存的截角八面体纳米颗粒。制备方法是首先分别以钛酸四丁酯和六氟钛酸铵为钛源和氟源，用水热法合成TiO₂和NH₄TiOF₃的混合物，用硼酸进一步处理所制样品，NH₄TiOF₃经历拓扑转化过程转化为二氧化钛同时实现少量氮的原位掺杂，得到暴露{001}晶面的二氧化钛。再采用光还原的方法在二氧化钛表面引入大量的缺陷，同时实现氟的掺杂。本发明中引入的氧缺陷能够显著提高二氧化钛对可见光的吸收，同时，{001}晶面的暴露和氮氟原子的共掺杂提高了光催化过程中载流子的分离。使其能够在可见光照射下高效地降解罗丹明B。

技术领域

本发明属于二氧化钛催化剂技术领域，涉及一种具有大量表面缺陷的氮氟共掺杂的二氧化钛纳米光催化剂的制备，可用于可见光下光催化降解有机污染物。

背景技术

锐钛矿相TiO₂纳米材料因其催化效率高，化学性质稳定，氧化能力强，无二次污染等优点，成为研究最热门，应用最广泛的一种光催化剂，目前已被广泛应用于自清洁、太阳能电池、制氢、降解有机物、超级电容器、气体传感器等不同的应用领域。然而由于在光催化过程中一方面光生电子空穴对极易发生复合，另一方面二氧化钛的禁带宽度较大，只能利用波长小于388nm以下的紫外光，这部分光只占太阳光的大约5％左右，因此极大的限制了二氧化钛在光催化领域的应用。

非金属掺杂是目前普遍认为比较有效的提高载流子分离的一种改性手段，其中作为一种阴离子掺杂剂，氟的掺杂可以在二氧化钛导带底引起扰动，提高二氧化钛的费米能级，增加电导率，抑制电子空穴对的复合，表现为n-型掺杂。此外氟还可以作为二氧化钛的形貌控制剂控制{001}晶面的生长，{001}晶面的表面能比较高，当{001}与{101}晶面共存时可在不同的晶面之间形成表面异质结，提高载流子的分离。

为了提高二氧化钛对可见光的利用，人们对二氧化钛做了大量的改性工作以扩展其光相应范围，如：二氧化钛的染料敏化、量子点敏化和贵金属敏化、金属离子掺杂和非金属离子掺杂、半导体耦合等。最近几年在加氢还原二氧化钛方面取得的巨大突破引起了人们对这一改性方法的极大重视。对二氧化钛进行加氢还原处理，可以有效降低禁带宽度，提高其在整个可见光区域的响应，增强光催化性能。理论上，对二氧化钛加氢还原过程中可以引入三价钛，氧缺陷以及表面层无序或其它的物理化学特性的改变。然而，由于二氧化钛具有非常稳定的物理化学性质，很难与氢气或其他的还原物质发生反应，因此目前常用的加氢处理手段主要有高压氢气煅烧，电化学加氢处理，氢等离子处理等，它们条件比较苛刻容易造成危险，而且需要消耗大量的能量造成环境污染，极大限制了其在光催化领域的应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出了一种绿色简便的在二氧化钛表面引入氧缺陷的技术，同时以氟为形貌控制剂和掺杂剂提高二氧化钛光生载流子的分离效率。该技术能够解决现有的二氧化钛量子效率低以及表面还原技术存在的问题。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种具有高可见光催化活性的多缺陷多掺杂二氧化钛纳米颗粒，该二氧化钛是比表面积为140～160cm³，粒径为10～20纳米，{001}与{101}面共存的截角八面体纳米颗粒，并且禁带宽度为2.5～2.7eV的锐钛矿相二氧化钛。

上述的二氧化钛纳米颗粒的制备方法，包括如下步骤：

(1)将钛酸四丁酯加入到异丙醇中，于冰浴下搅拌5min形成溶液A，保证钛酸四丁酯与异丙醇的体积比为1:3～5；