[发明专利]一种钆改性光催化二氧化钛纳米管阵列的制备方法及应用

说明书

一种钆改性光催化二氧化钛纳米管阵列的制备方法及应用，在利用二次阳极氧化法制备二氧化钛纳米管的过程中，通过同步掺杂入不同浓度的钆离子，获得改性的二氧化钛纳米管阵列材料。改性的纳米管管长由22.5μm增长到105.6μm，管径95‑100nm。以甲基橙、酸性大红、亚甲基蓝为被降解物，在紫外光的照射下，掺杂钆离子的改性材料的光降解率相比之前由79.8%上升到了98.8%，大大提高了催化剂的光催化效果，亲水性能明显增强。通过此法制备TiO₂改性材料，在氧化钛纳米管阵列形成的同时进行钆离子掺杂，掺杂效率高，操作简便无毒害，氧化钛纳米管阵列可回收重复利用，在有机物的光催化降解及污水处理方面有远大应用前景。

技术领域

本发明属于纳米材料领域，具体涉及一种钆改性高光催化性能的二氧化钛（TiO₂）纳米管阵列的制备方法及应用。

背景技术

光催化氧化技术作为一种新兴的绿色高级氧化技术，因其反应条件温和、操作简便、效率高而能耗低、环境友好等特点，已被广泛应用于含有机废液的污水处理中。TiO₂材料作为一种无机光敏半导体材料，具有光催化活性高、稳定性好、无毒害、成本低等优点，在诸多半导体材料中脱颖而出，受到了广泛关注。而TiO₂纳米管在二氧化钛系列产品中，具有更大的比表面积和更高的表面能，独特的有序性可以有效提高电子-空穴对的界面分离能力，表现出绝佳的光催化性能。

目前来说，成功制备TiO₂纳米管的方法主要包括模板合成法、水热合成法以及阳极氧化法。二次阳极氧化法通过两次外电流作用，以肖特基势垒牢固结合纳米管与金属钛导电基板，相比一次氧化，二次氧化技术在一次氧化后增加了清洗过程，除去了一次氧化过程中形成的氧化膜及杂质，使得二次氧化形成的纳米管阵列排列更加规整、致密、纯度更高。然而，纯TiO₂作为光催化剂仍存在光源利用率低，光谱响应范围小等短板，从而降低光催化性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钆改性光催化二氧化钛纳米管阵列的制备方法及应用。

本发明目的通过以下技术方案实现。

本发明所述的一种钆改性光催化二氧化钛纳米管阵列的制备方法，包括以下步骤。

（1）处理过的高纯钛片作为Ti源（阳极），去离子H₂O作为O源，35~55V电压下，在氟化铵的乙二醇溶液中反应1h；取出钛片，纯水中超声5min。

（2）在电解液中加入一定浓度的硝酸钆溶液，在25~35℃环境下第二次阳极氧化的同时进行钆离子掺杂，后取出在乙二醇中超声2min，乙醇洗涤。

（3）取出钛片，于460~540℃空气环境下退火2h，冷却至室温，获得稀土元素钆掺杂的锐钛矿相TiO₂纳米管阵列。

步骤（1）所述处理过的高纯钛片指经过超声清洗以及在体积比为1:2:5或1:3:5的氢氟酸、硝酸、纯水中化学抛光处理。

步骤（2）所述的同时进行化学掺杂是指在氧化钛纳米管阵列形成的同时进行钆离子掺杂，两者同步进行。

所述的氟化铵的乙二醇溶液浓度为0.05mol/L-0.25mol/L，硝酸钆溶液的浓度为0.05mol/L-0.3mol/L。

所述的TiO₂纳米管阵列为锐钛矿相单晶纳米管。所述的稀土元素钆掺杂改性后的TiO₂纳米管的管长为22.5μm-105.6μm，管径95 nm -100 nm。

本发明的另一个目的是上述钆改性光催化二氧化钛纳米管阵列在有机物降解中的应用。