[发明专利]一种以碳化荷叶为基底制备N掺杂纳米花状TiO2

说明书

本发明公开了一种以碳化荷叶为基底制备N掺杂纳米花状TiO₂光催化材料的方法，所述方法是先在碳化荷叶上负载钛酸正四丁酯，所得产物经煅烧处理制得负载有TiO₂子晶的碳化荷叶基底；然后在负载有TiO₂子晶的碳化荷叶基底上原位生长花状TiO₂晶体层，制得碳化荷叶上纳米花状TiO₂光催化材料；最后对制得的碳化荷叶上纳米花状TiO₂光催化材料进行N掺杂处理，即得N掺杂纳米花状TiO₂光催化材料。本发明所述的制备方法，工艺简单、成本低廉、易于规模化生产，所制备的催化材料呈现出结构有序和形貌定型化特征，具有光谱响应范围广，光催化活性高等优点。

技术领域

本发明涉及一种制备TiO₂光催化材料的方法，具体说，是涉及一种以碳化荷叶为基底制备N掺杂纳米花状TiO₂光催化剂的方法，属于光催化技术领域。

背景技术

TiO₂是半导体催化剂的代表，具有活性高，成本低，环保和良好的稳定性，目前广泛应用于光催化降解技术领域。半导体催化剂的光催化降解机理为：在具有给定波长的光下，半导体催化剂可以产生光生电子和空穴，在溶液中可以产生含氧化或还原的活性自由基，产生的活性自由基可以将有机染料或污染物降解为二氧化碳、水和其他小分子。但是，TiO₂是一种宽禁带半导体，其单晶的带隙比较宽(金红石，3.03eV；锐钛矿，3.20eV)，只有在紫外光照射下才能造成光降解，而紫外光只有阳光的4～5％，使得TiO₂对太阳能或可见光的利用率很低，严重限制了TiO₂光催化剂的应用范围。

为了拓宽TiO₂的光谱响应范围，提高其催化活性，目前主要是采用掺杂的方式来改变 TiO₂带的位置或在能带中增加中间能级。目前的掺杂方式主要分别金属掺杂和非金属掺杂。金属掺杂(例如Li、Al、V、Mn、Fe等)虽然能够在一定程度上改变TiO₂电子能级的结构分布，降低了带隙能，使TiO₂能被除紫外光以外的光照射激发出电子，从而扩展其吸收光谱范围，但是也相应的带来了缺陷，例如：TiO₂本身的热稳定性很好，而金属离子的掺杂可能会对其造成影响；金属离子的掺杂可能为电子和空穴的复合提供了良好的复合中心；部分离子掺杂缺少廉价的注入设备。相对于金属掺杂，非金属掺杂(例如：B、C、N、P、S 等)的TiO₂不仅在可见光区有较好的响应和表现出较强的光催化活性，且这种光催化活性是不以牺牲UV激发下光活性为代价，克服了金属离子掺杂的缺陷。

非金属掺杂中，N元素的掺杂被研究的最为广泛，目前已经有很多关于N掺杂TiO₂光催化剂的相关报道，例如：专利CN200810026620.7、CN201610421580.0、文献(唐伯明，刘晓凤等，N掺杂浓度对TiO₂光催化活性影响的实验与理论研究[J]，人工晶体学报，2015， 44(7)：1885-1890)等。但是目前方法制备出的N掺杂TiO₂光催化剂通常是粉末状固体，不仅不利于分离和回收利用，且光催化降解时容易产生二次污染，也严重限制了TiO₂光催化剂的实际应用。

针对上述情况，目前主要采用的方式是将TiO₂光催化剂负载于载体材料上制得负载型 TiO₂光催化剂，常用的催化剂载体材料包括：活性炭、分子筛、沸石、膨润土、海泡石、玻璃、陶瓷、二氧化硅、硅藻土、石墨烯、凹凸棒土等(见专利CN200910148508.5、CN201210205768.3等)。上述负载型催化剂虽然分散性较以往的催化剂有所改进，但是上述催化剂的制备方法工艺较为复杂、生产成本较高，不利于规模化生产，且制得的负载型催化剂整体呈无定形形貌，TiO₂催化剂层与载体的结合不牢固，限制了TiO₂光催化剂的实际使用。