[发明专利]一种固载型Y,Yb双掺二氧化钛多孔薄膜的制备方法

说明书

本发明提供了一种固载型Y,Yb双掺TiO₂光催化多孔薄膜的制备方法，其是将TiO₂纳米粉体加水配成分散液后，按一定摩尔比加入硝酸镱和硝酸钇，调节pH后进行水热反应，待反应结束后加入乙酰丙酮、聚乙二醇等辅助试剂，超声微波分散后长时间搅拌，再将所得反应液移至玻璃或石英基底中，经加热定形、高温煅烧制得所述固载型Y,Yb双掺TiO₂光催化多孔薄膜。本发明在Y、Yb稀土离子掺杂以优化TiO₂薄膜性能的同时，在基质上一步固载成膜，可实现对膜厚度的精确控制，其不仅可提高TiO₂催化活性、拓宽其光响应范围，且使其可用于微流控等连续化光催化有机废水的处理，具有良好应用前景。

技术领域

本发明属于光催化微流控技术领域，具体涉及一种固载型Y,Yb双掺TiO₂多孔薄膜的制备方法，其在通过离子共掺杂提高光催化降解性能的同时，可实现催化剂材料的固载。

背景技术

光催化是指在光照下将光能转化成化学反应所需的能量的过程。光催化反应的核心是光催化剂。光催化是基于光子与半导体催化剂（如TiO₂）相互作用的光致化学过程。当半导体催化剂吸收具有等于或大于TiO₂带隙能量（3.2eV）的能量的光子时，形成电子空穴对，并解离为价带中的导带和空穴中的自由电子，进而参与一系列光催化反应。广大研究工作者对TiO₂进行各类离子掺杂，旨在提高其光催化活性，拓宽光响应范围。近些年来关于TiO₂稀土离子掺杂改性的报道日益增多，但稀土离子双掺，尤其是Y、Yb双掺TiO₂的研究相对较少。

由于纳米TiO₂粉体在实际使用中存在易凝聚、难回收的问题，因此TiO₂薄膜得到了更为广泛的研究。制取TiO₂薄膜的方法包括热氧化法、气相沉积法、溶胶凝胶法、射频溅射法等。专利CN 101428157A介绍了一种将半导体氧化物悬浮液进行低温热处理后，与PVC粘结剂混合，制得结合强度高、杀菌抗菌性能优异的镀膜液，TiO₂复合材料与有机粘接剂分步完成，其对镀膜厚度及其膜结构调控上有所缺乏，同时对光催化降解反应性能提升影响不大。专利CN 103397302A介绍了一种采用射频磁控溅射技术的TiO₂薄膜制备方法，其所用靶材为镶嵌金属Er片和Yb片的TiO₂陶瓷靶，基片为石英或硅片。该方法可制备得到均匀度好、致密度高的TiO₂薄膜，但其设备要求高，同时需要高温退火，惰性气体保护，成本较高。专利CN 101164689A中则在高压电条件下通入氧气和含钛气体，在偏压的极化与加速下进行沉积制得纳米晶多孔TiO₂薄膜，该方法适用于各种基材，合成时间段，但其需要高压放电与氮气保护，不易操作。专利CN 111186881A公开了一种壳聚糖改性的纳米TiO₂超滤膜的制备方法，在TiO₂表面接枝疏松的交联壳聚糖用于减少TiO₂的流失。改性后的光催化超滤膜在废水处理过程中能维持长时间高效稳定运行，但是其在提高催化效率的方面存在一定的短板。

同时，在将TiO₂薄膜应用到微流控领域的过程中面临的主要限制是光子传输限制和反应物传质限制。TiO₂薄膜固载于基底之上，薄膜底部催化剂接受光子和反应位点吸附反应物的能力大打折扣。而TiO₂的微孔设计，薄膜疏松结构可以提供更多反应位点，提高催化剂表明反应物的刷新率与扩散速率；同时，薄膜疏松结构有利于光路在催化剂层的传输，提高底部催化剂对光子的接受能力。因此，TiO₂的微孔设计、薄膜疏松结构与适宜薄膜厚度是解决TiO₂薄膜于微流控领域应用的关键。另外，在催化薄膜较薄时，反应物集中的区域与高浓度电荷和羟基自由基区域重合，反应迅速但因为催化剂固载量显著导致整体效率低；当薄膜厚度增加到一定的厚度，由于自由基存在扩散限制，污染物转化率将会降低。因此，在微尺度反应器中，对催化剂薄膜厚度的控制也至关重要。

发明内容