[发明专利]一种插片式硫化钼间隙掺杂多孔壁二氧化钛纳米管阵列可见光催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种硫化钼插片式间隙掺杂多孔壁二氧化钛纳米管阵列可见光催化剂及其制备方法与应用。该方法为：通过先对纯钛片进行阳极氧化后马弗炉煅烧，调控其煅烧条件参数，制备得到多孔壁二氧化钛纳米管，后利用溶剂热法将硫化钼以片状的形态插入部分多孔侧壁上，在不阻碍多孔壁吸附传质功能的同时拓宽其光响应范围，制备得到插片式硫化钼间隙掺杂多孔壁二氧化钛纳米管阵列可见光催化剂。该光催化剂拥有管壁多级孔道、规整的管壁阵列结构、良好的可见光响应、可提供快速电子传输通道以及更好的吸附传质性能，其可见光催化性能较纯二氧化钛纳米管阵列和硫化钼粉末显著增强，极大提高了对太阳光的利用效率和光生电子空穴分离能力。

技术领域

本发明属于环境功能材料技术科技领域，具体涉及一种插片式硫化钼间隙掺杂多孔壁二氧化钛纳米管阵列可见光催化剂的制备方法及其在环境污染治理中的应用。

背景技术

环境污染和能源短缺是21世纪人类面临和亟待解决的重大问题之一，以TiO₂为代表的光催化技术以其利用太阳能进行驱动反应和室温深度反应等独特性能，而成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。半导体光催化剂的形貌结构显著影响其发挥最大催化效果。近年来，各种不同形貌结构的TiO₂如线、中空球、纳米管、片及三维互连结构等材料相继被开发出来。其中钛纳米管以其结构高度可控、大的比表面积以及具有快速电子通道等特性，受到了研究者的广泛青睐。

阳极氧化、静电纺丝以及模板水热法是目前钛纳米管主要的制备方法。相对于静电纺丝和模板水热等制备方法，阳极氧化法工艺简单，并且所制备的TiO₂纳米管生长规则均匀，具有极高的纳米结构有序性、极低的团聚程度和更大的比表面积。然而现有阳极氧化技术大多采用纯钛箔电极为阳极、铂片作为阴极，成本非常高，且所制备的纯钛纳米管阵列只能吸收紫外光激，其致密管壁阻碍光线抵达内管壁导致对太阳光的利用率进一步减少，这些因素都明显的限制了纳米管阵列的大规模实际应用。故利用插片式硫化钼间隙掺杂多孔壁二氧化钛纳米管阵列可见光催化剂的可见光响应和多孔结构将有望解决这一关键问题。

本发明采用阳极氧化法和溶剂热法，以纯钛片作为阴极，在含氟乙二醇电解液中阳极氧化，得到无定形二氧化钛纳米管阵列，在马弗炉中煅烧后，营造纳米管管壁多级孔道。后通过溶剂热法将硫化钼以片状的形态插入部分多孔侧壁上，制备得到插片式硫化钼间隙掺杂多孔壁二氧化钛纳米管阵列可见光催化剂。这种具有多孔管壁的插片式硫化钼间隙掺杂二氧化钛纳米管由于其多级孔道结构的存在，会进一步有利于反应物的吸附与传质，同时也使得入射光能通过管壁的多级孔道进入管道内部从而大幅提高纳米管阵列内表面对光的利用率，另一方面硫化钼均匀间隙掺杂扩大了其对太阳光的吸收范围，进一步提高其光催化效率。本发明所采用的制备方法将为可见光化新型纳米管阵列材料的制备提供新的方向。

发明内容

本发明的目的在于克服现有阳极氧化技术采用贵金属电极成本高，纯二氧化钛纳米管阵列仅对太阳光利用率、管壁致密、低紫外光响应等缺点，提供了一种插片式硫化钼间隙掺杂多孔壁二氧化钛纳米管阵列可见光催化剂的简易制备方法及其在环境污染治理中的应用。

本发明的通过以下技术方案来实现：

一种插片式硫化钼间隙掺杂多孔壁二氧化钛纳米管阵列可见光催化剂的制备方法，所述催化剂形貌为硫化钼以片状的形态插入部分多孔二氧化钛纳米管侧壁上，具有可见光响应。所述多孔孔道结构通过采用纯钛片作为工作电极，以纯钛片作为阴极，在含氟乙二醇电解液中阳极氧化，再进行马弗炉煅烧，通过调控阳极氧化参数实现。所述光催化剂在马弗炉煅烧后置于反应釜，通过溶剂热法，在多孔侧壁上掺杂硫化钼，然后在N₂氛围下进行管式炉煅烧，从而在纳米管管壁构建以片状形态的硫化钼插入部分多孔二氧化钛纳米管侧壁上，制备出具有可见光响应的插片式硫化钼间隙掺杂多孔壁二氧化钛纳米管阵列可见光催化剂。

一种插片式硫化钼间隙掺杂多孔壁二氧化钛纳米管阵列可见光催化剂的制备方法，包括以下步骤：