[发明专利]一种N/Ti3+共掺杂蓝色TiO2三相异质结纳米材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种N/Ti³⁺共掺杂蓝色TiO₂三相异质结纳米材料及其制备方法，所述纳米材料在粉末X射线衍射下，在2θ为25.2°、27.4°、31.0°、36.0°、37.8°、41.2°、48.0°处具有特征衍射峰，且N1s的XPS谱图中在398.2～400.5eV处具有特征峰，Ti2p的XPS谱图中在457.9～458.8eV、459.0～459.5eV、464.0～464.5eV、465.0～465.5eV处具有特征峰。所述纳米材料是由纳米氮化钛与水进行水热反应而得。本发明提供的纳米材料对可见光响应好，同时带隙窄化；所述制备方法操作简单、生产成本低廉、节能环保、易于规模化生产。

技术领域

本发明涉及一种制备TiO₂纳米材料及其制备方法，具体说，是涉及一种N/Ti³⁺共掺杂蓝色TiO₂三相异质结纳米材料及其制备方法，属于TiO₂纳米材料技术领域。

背景技术

随着全球能源需求持续增长，随之引发的环境问题日益加剧，新型清洁能源的开发成为能源及材料领域关注的热点。太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的清洁能源，属于目前新型清洁能源的主要开发对象，目前，太阳能的开发利用途径多样，主要包括光热转换、光电转换和光化转换等，其中，太阳能光电化学和光催化是太阳能利用领域的研究热点之一，而实现太阳能在光电和光催化应用的关键是寻找合适的半导体材料。

自日本科学家Fujishima等在1972年发现光电池中TiO₂电极能够将水光解为O₂和H₂之后，TiO₂以及相关课题成为当今最热点的项目之一。TiO₂具有无毒、安全、价廉和储量丰富等优点以及良好的光催化活性，但TiO₂的禁带宽度约为3.2eV，仅能吸收占总太阳光能4-5％的紫外区光能，并且其光生电子和空穴极易复合，极大限制了其商业化应用。因此，拓展TiO₂光响应至可见光范围和抑制其光生电子-空穴的复合是提高TiO₂太阳光利用率和光量子转换效率主要研究方向，而目前采用的方法主要包括：离子掺杂、贵金属沉积、染料敏化及半导体复合等。

已有的文献报道表明，N掺杂和Ti³⁺自掺杂是有效拓展TiO₂可见光响应的重要方法。目前对TiO₂进行N掺杂的方法主要有溶胶-凝胶法、固相焙烧法、离子注入法、激光增强化学气相沉积法等。Ti³⁺自掺杂(Ov)的方法主要有将TiO₂在真空或强还原性气氛中加热、高能粒子轰击、激光辐照等。虽然目前N掺杂和Ti³⁺自掺杂TiO₂的相关报道，但是N/Ti³⁺共掺杂TiO₂的相关报道很少，中国专利CN201410548577.6和CN201510046235.9分别报道了N/Ti³⁺共掺杂TiO₂纳米材料的制备方法，但是目前公开的制备方法都较为复杂，且需要高温煅烧，成本较大，不适用于规模化生产。另外，TiO₂具有多相结构，自然界中的主要以锐钛矿、金红石和板钛矿三种晶相存在，研究表明，TiO₂异相结纳米材料相较于单相TiO₂，具有可以利用各相能带结构不同，加速光生载流子的分离，进而提高量子效率的优点，因此，TiO₂异相结光催化材料尤其是TiO₂三相异质结纳米材料成为目前的研究热点。目前虽然有三相二氧化钛的相关报道(例如：201310655939.7)，但是目前的三相二氧化钛仅仅涉及到无掺杂三相二氧化钛，并且在制备过程中需要用到大量的酸或碱，对环境会造成较大的污染，而中国专利CN201410548577.6和CN201510046235.9制备的N/Ti³⁺共掺杂TiO₂纳米材料均非TiO₂三相异质结纳米材料，对TiO₂光催化性能的提高有限。