[发明专利]一种火焰燃烧法制备多元素掺杂二氧化钛光催化材料的方法

说明书

本发明公开了一种火焰燃烧法制备多元素掺杂二氧化钛光催化材料的方法，包括如下操作：在空气环境下，用引线将含有有机钛源和掺杂元素的乙醇混合溶液点燃并产生火焰，乙醇混合溶液中各组分发生反应直至火焰自然熄灭，收集固体产物，即得多元素掺杂二氧化钛光催化材料。本发明的制备方法相较于传统的燃烧法，无需特殊设备、无需助燃气体、无需后续的焙烧与活化，也无需加入氨水调控pH值，生产周期短、操作简单、环境友好、生产成本低廉、易于规模化生产，且制备的二氧化钛为可控的锐钛矿型二氧化钛，尤其是二氧化钛光催化材料呈现出结构有序和形貌定型化特征，在光催化领域具有广阔的应用前景，具有显著性进步和工业化应用价值。

技术领域

本发明涉及一种制备二氧化钛光催化材料的方法，具体说，是涉及一种火焰燃烧法制备多元素掺杂二氧化钛光催化材料的方法，属于光催化技术领域。

背景技术

TiO₂可在紫外光的作用下催化降解有机物，因其廉价、无毒、透光率高、高折射率和化学稳定性好等特点目前被广泛的应用于空气净化、废水处理、太阳能电池、防雾自清洁等领域。但TiO₂禁带宽度较宽(约为3.2eV)，仅能吸收占总太阳光能4-5％的紫外光区的光能，并且具有较高的载流子复合率，极大限制了其催化活性和商业应用。

为了提高TiO₂的催化活性，通过采用掺杂的方式来改良其能带结构、拓展光吸收范围和降低光生载流子的复合几率是主要的方法之一。目前的掺杂方式主要分为金属掺杂和非金属掺杂。金属掺杂包括Li、Al、V、Mn、Fe等金属元素的掺杂，非金属掺杂包括N、C、B、S等非金属元素的掺杂。研究表明：金属-非金属共掺杂相较于单一的金属掺杂或非金属掺杂而言，存在协同效应，可以进一步提高二氧化钛的催化活性。

目前主要采用液相法制备二氧化钛光催化材料，尤其是元素掺杂的光催化材料，例如：中国专利CN201410548577.6和CN201510046235.9中公开了N/Ti共掺杂TiO₂纳米材料的制备方法，CN201610128763.3中公开了N/La/K/Zn/Bi/Cu多元素共掺杂纳米二氧化钛光催化材料的制备方法，但是目前公开的制备方法不仅周期较长，生产效率较低，操作较为复杂，且需要高温煅烧，成本较大，通常适用于实验室规模的制备，不适用于规模化生产，并且煅烧过程中还容易造成颗粒间的团聚，影响其催化活性，也严重限制了TiO₂光催化剂的实际应用。另外，TiO₂具有多种晶体结构，自然界中的主要以锐钛矿、金红石和板钛矿三种晶型存在，其中锐钛矿相的光催化活性最好，而目前的制备方法中制得的二氧化钛光催化材料要实现锐钛矿型TiO₂的可控合成需要结合后续处理。

燃烧法是一种新的制备二氧化钛光催化材料的方法，相较于传统的液相法，具有生产周期较短，生产效率较高，产品不易团聚等优点。目前燃烧法主要包括气相燃烧法(又名火焰喷雾(或蒸汽)燃烧法、火焰法)、凝胶燃烧法、溶液加热燃烧法。

气相燃烧法(又名火焰喷雾(或蒸汽)燃烧法、火焰法)是指通过一定的设备使前驱体雾化或蒸汽化，然后使喷雾或者蒸汽进入专用的燃烧反应器中，使前驱体在火焰的辅助下发生燃烧、热解、氧化等系列反应，生成二氧化钛或元素掺杂二氧化钛光催化材料的方法。例如：中国专利CN200480036068.X、CN200810037011.1、CN201210153307.6、CN201510471985.0、CN201710130774.X都分别公开了此种制备方法，但是该方法在制备过程中通常需要特殊设备(例如：喷嘴、蠕动泵、燃烧反应器、颗粒收集装置等)，燃烧反应时，还需要通入氧气、氢气等助燃气体，制备方法复杂，生产成本较高。