[发明专利]一种富含氧空位缺陷的黑色二氧化钛光纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种富含氧空位缺陷的二氧化钛纳米材料及其制备方法和应用，属于半导体光催化剂技术领域。本发明所述制备方法采用溶胶凝胶与固相合成相结合的方法，将可溶性钛盐溶解后加入碱性溶液得到沉淀；然后将沉淀与还原剂反应，得到带负电性基团的二氧化钛前驱体凝胶；将带负电性基团的二氧化钛前驱体凝胶在惰性气体中烧结，得到纯质的富含氧空位缺陷的二氧化钛纳米材料。采用上述制备方法制得的富含氧空位缺陷的二氧化钛纳米材料的氧空位含量为8％，其能带间隙为1.94eV，相比于其它二氧化钛具有更高的光催化活性。该方法具有绿色、简便、纯度高、安全性强、节能环保、可规模量产的优点，该材料可应用于有机染料降解以及气体净化等领域中。

技术领域

本发明属于半导体光催化剂技术领域，涉及一种富含氧空位缺陷的黑色二氧化钛纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

二氧化钛（TiO₂）作为比较传统的半导体催化剂材料，由于其具有价格低廉、地球储备丰富、化学稳定性强、无毒、反应活性强等优点，所以被广泛的应用于光催化反应中。然而在实际应用生产中，由于其禁带宽度较大（金红石相为3.0eV, 锐钛矿相为3.2eV），光利用率比较低，只能利用约占太阳光谱5%的紫外光以及光生电子和空穴也容易复合。为了解决这些问题，研究者通过能带工程对TiO₂进行改性，通过控制其能带结构产生氧空位及色心。氧空位及色心的存在可以提高TiO₂光催化剂的光吸收范围，同时促进光生载流子的分离，使得二氧化钛的催化性能得到明显提升。在黑色二氧化钛的过程中，材料表面形成氧空位及三价钛离子。还原态的钛元素及氧空位的存在，会在导带下形成杂质能级，有利于光生载流子有效穿梭，促进e^-/h⁺有效分离，使得材料具有可见光活性。

CN109911933A公开了一种制备黑色二氧化钛纳米材料的方法，包括步骤有：

1、钛酸四丁酯与无水乙醇充分混合，再加入十六烷基三甲基溴化铵和去离子水，得到凝胶；2、将凝胶在0～60℃水浴加热干燥制成干凝胶，随后将干凝胶研磨成粉末，在400～500℃保护气氛下煅烧，随炉冷却至室温，得到黑色二氧化钛纳米材料。该发明存在一定的缺陷，首先制备工艺繁琐，频繁使用了各种有机试剂，其次十六烷基三甲基溴化铵经常作为表面活性剂使用，容易与制备原料结合，该专利中并未提及如何去除十六烷基三甲基溴化铵，在后期烧结工艺中，会有部分碳残留，以至于所得到的黑色二氧化钛不纯。

CN110790305A公开了一种黑色二氧化钛粉末的制备方法，包括步骤有：1、取抗坏血酸粉末和二氧化钛粉末按照不同质量比例混合研磨。混合粉体在氮气保护下烧结，温度为400-500℃，保温时间1-3h，得到烧结体；2、待烧结体自然冷却至50-55℃，再充分水洗，得到水洗后的烧结体，然后将水洗后的烧结体烘干，得到黑色二氧化钛粉末。该发明虽然简单但是也存在一定的缺陷，将抗坏血酸简单的与二氧化钛进行物理混合，不能保证下一步反应充分进行。抗坏血酸的分子式为C₆H₈O₆，将它与二氧化钛研磨后，在通过该专利的烧结工艺，产品中会存在碳，无法得到真正意义上的纯黑色二氧化钛。而且产品中碳的含量以及纯度问题该专利并未明确给出。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种富含氧空位缺陷的黑色二氧化钛纳米材料及其制备方法和应用。本发明所述制备方法，操作工艺简单，安全性强、节能环保、可规模化生产；经过该方法所制备的二氧化钛纳米材料具有丰富的氧空位具有较高的纯度，此外，所得材料的颗粒尺寸分布均匀稳定，且禁带宽度小，因此可作为可见光光催化剂来使用。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种富含氧空位缺陷的黑色二氧化钛纳米材料的制备方法，所述制备方法采用溶胶凝胶与固相合成相结合的方法，首先，将可溶性钛盐制备成钛溶胶；然后，将所得钛溶胶经还原反应，制得含有带电基团的钛前驱体凝胶；最后，将所得含有带电基团的钛前驱体凝胶经热处理，制得富含氧空位缺陷的黑色二氧化钛纳米材料。