[发明专利]一种TiO2混晶纳米棒组装体光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光催化剂材料领域，涉及一种TiO₂混晶纳米棒组装体的制备方法，具体地说，是涉及金红石-锐钛矿混晶TiO₂纳米棒组装体光催化剂及其制备方法。

背景技术

TiO₂纳米材料作为最有应用前景的光催化材料之一，其在传感器、太阳能电池、光催化、光能至电能的转换等领域的应用引起了人们的高度重视。如何简便地合成具有高性能的二氧化钛纳米材料成了全世界研究的热点。

TiO₂在自然界中具有三种天然的晶型：锐钛矿型、金红石型和板钛矿型。由于纳米TiO₂光催化剂产生的光生电子和空穴的分离转移速度慢，复合率高，导致光催化量子效率低，存在光催化效率不高的问题。随着研究的深入，发现当TiO₂体系中含有锐钛矿和金红石两种晶相时，由于半导体复合在界面处形成异质结，能够抑制电荷的复合，使TiO₂表现出比单一晶相更好的光催化活性。例如，现已产业化的Degussa公司生产的高活性光催化剂P25就是由具有不同配比的(锐钛矿：80％，金红石20％)锐钛矿型TiO₂和金红石型TiO₂双晶相构成的。混晶 TiO₂晶相交界处能促进光生电子-空穴的有效分离，降低光生载流子的复合率，同时由于混晶中的金红石型二氧化钛具有更窄的带隙，可以促进混晶二氧化钛对可见光的吸收，提高光的利用率。可见，混晶TiO₂体系在一定程度上可以提高其光催化活性。而目前常用的合成混晶的方法通常包括溶胶-凝胶法、高温煅烧法、溶剂热法、生产成本高等，这些方法通常合成过程复杂、反应条件苛刻、形貌难以控制、需使用有毒有害的溶剂等。所以研究一种低温、安全、成本低的混晶合成方法对于高性能TiO₂纳米材料的制备具有重要意义。

近年来，由低维的纳米结构单元如纳米线、纳米棒等有序组装而成的三维多级结构二氧化钛成为研究热点，这是因为与传统的低维二氧化钛纳米材料相比，三维多级结构显示出其独特的优势：(1)三维多级结构通常同时具有微米结构和纳米结构的优点，并能抑制两者结构上的缺陷，使其表现出优异的物化性质；(2)三维纳米材料具有更大的比表面积，可以为光催化反应提供更多的活性位点；(3)三维纳米材料具有更大的长径比，在光催化反应中有助于光生载流子的生成、迁移，反应物在表面的吸附，同时能大大增强二氧化钛对光的吸收和散射能力。鉴于三维纳米材料的优势，近年来科研人员采用模板法、溶剂热法、微波法等方法来合成具有良好催化活性的三维纳米材料。

发明内容

本发明针对现有制备TiO₂混晶纳米棒组装体光催化剂技术中合成过程复杂、反应条件苛刻、形貌难以控制、需使用有毒有害的溶剂等等缺点，提供一种TiO₂混晶纳米棒组装体光催化剂的制备方法。该方法工艺简单，反应条件较温和，无需高温煅烧，制备出由锐钛矿-金红石型TiO₂纳米棒组装而成的花状结构，在光催化反应中有助于光生电子和空穴的分离转移速度快锐钛矿和金红石型的摩尔比可控，光催化性能高。本发明采用以下技术方案予以实现：

一种TiO₂混晶纳米棒组装体光催化剂及制备方法。其特征在于，所述方法以无机硫酸钛为原料，具有通过一步水热反应制得到锐钛矿-金红石型TiO₂混晶纳米棒组装结构光催化剂，制备方法包括下述步骤：

(1)将硫酸钛溶解于水中，加入一定量盐酸，搅拌均匀，浓度分别为硫酸钛：20-50mmol·L^-1， HCl：1-3mol·L^-1；

(2)将上述混合液转移到内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，在120-200℃恒温加热1-6h；

(3)将上述反应混合液冷却后，离心分离，分别用去离子水和无水乙醇洗涤三次，在干燥箱中干燥后得到TiO₂混晶纳米棒组装体光催化剂。

本发明的优点在于：所用前驱物为廉价的无机硫酸钛盐，制备工艺简单、成本低；该方法所制备TiO₂混晶纳米棒组装体光催化剂具有三维组装结构，对水中有机染料降解光催化活性高。

附图说明

图1为实施例一和实施例二所制备的TiO₂混晶纳米棒组装体样品的XRD谱图。