[发明专利]一种非金属共掺杂刺形镶嵌TiO2

说明书

本发明属于光催化剂技术领域，具体为一种非金属共掺杂刺形镶嵌TiO₂空心结构及其制备方法和应用，将钛源、醇以及非金属元素掺杂剂加入到自制超声微波一体化装置中，利用超声波喷雾器将溶液分散成均匀的雾气，并在惰性气体的作用下将雾气缓缓输送至超声微波反应器进行反应，再经过微波干燥机，通过控制醇的量及反应装置的条件，可以得到非金属共掺杂刺形镶嵌TiO₂空心结构，分别包括刺形空心球、刺形空心盒以及刺形空心球与空心盒的共生结构，这些非金属共掺杂刺形镶嵌空心结构的光催化剂对有机污染物的降解和有机氧化反应能起到较好的催化作用。

技术领域

本发明涉及光催化剂技术领域，具体涉及一种非金属共掺杂刺形镶嵌TiO₂空心结构及其制备方法和应用。

背景技术

TiO₂作为一种无毒、廉价、氧化能力强和没有二次污染的半导体光催化材料，应用于处理工业废水废气、产氢、太阳能转化等方面。但TiO₂存在只能被吸收波长较短的紫外光激发，太阳能利用率及量子效率都比较低的问题，从而阻碍了 TiO₂在实际中的应用。对此研究者们提出过许多TiO₂改性的方法，包括离子掺杂、改变形貌、染料敏化、贵金属表面沉积及半导体复合等手段以提高其光催化性能。

离子掺杂是近年来受到广泛关注的一种改性方法，该方法将金属离子或是非金属离子掺杂到TiO₂的晶格中，从而引起晶格缺陷或晶格畸形，进而提高TiO₂的催化活性。离子掺杂的方式有金属离子掺杂、非金属离子掺杂以及共掺杂三大类，其中金属离子掺杂是在TiO₂中掺入杂质金属离子，能够改变TiO₂的能级结构，提高其光催化效率，但因为掺杂的量难以确定，使得相同的金属离子掺杂可以得到不同的结论。非金属离子掺杂主要是利用氧元素附近的阴离子(C、N、S、 B、P)实现对TiO₂的掺杂，阴离子把晶格氧空位引入TiO₂中或取代部分氧空位，则会形成TiO_2-xM_x，使得TiO₂的禁带宽度变窄，从而扩宽TiO₂光吸收的响应范围。单一元素掺杂只局限于特定程度上对TiO₂性能的提高，而元素的共掺杂能够充分利用两种及两种以上元素的特点及其协同作用，在较大程度上提高TiO₂的光催化性能，这种元素的共掺杂，特别是非金属共掺杂方式将会是今后TiO₂研究的热点。

空心结构材料对于TiO₂的改性主要在于其具有比表面积大、扩散阻力低、容易分散和稳定性较好等特点，且能够给催化反应提供比较多的活性点，使得二氧化钛具有较高的光吸收性，增强了TiO₂对光的利用率和催化活性，同时空心结构也为TiO₂的改性提供了很大空间。如：中国发明专利申请CN 102718255 A 采用二氧化硅微球作为模板，改变前驱体溶液浓度、二氧化硅的大小尺寸以及水热时间以合成二氧化钛空心纳米微球结构，使用该方法在较低的温度下合成了尺寸与结构都具有高同向性、粒度均匀的空心结构；中国发明专利申请CN 101717114 A制备了空心多面体结构的二氧化钛，将金属钛板表面用制备好的酸洗液酸洗后于反应液中加热，所得产物经超声水洗、热处理后即为空心多面体结构的二氧化钛，该方法得到的空心多面体结构为类球面、截角八面体等，且结构完整未出现坍塌，而尚未有文献报道空心球与空心盒共生结构。由于实心结构的反应只能在其表面进行，而空心结构中存在暗室效应，即在空心结构中进行的反应，比表面积越大，反应进行得越彻底。更由于共生结构有协同作用，增大了其比表面积，能够让光催化反应进行得更彻底，增大了其催化性能。