[发明专利]一种制备硫/氮/磷共掺杂二氧化钛光催化剂及其应用

说明书

一种制备硫/氮/磷共掺杂二氧化钛光催化剂及其应用。本发明涉及一种硫/氮/磷共掺杂光催化剂，以钛酸丁酯、硫脲、尿素、磷酸作为前驱体，通过溶胶‑凝胶法制备出S/N/P‑TiO₂光催化剂，所制备的材料为锐钛矿相，其中在晶格表面S以S⁴⁺和S⁶⁺的形式存在，S的掺入使二氧化钛的禁带变宽，提高了材料的光催化性能；N元素掺杂进入晶格后，形成了Ti‑N键，可以使TiO₂的光吸收范围红移；而P以P⁵⁺取代了近表面区域中Ti‑O‑Ti晶格中的Ti⁴⁺，形成P‑O‑Ti键，从而使得Ti^2p的结合能向低处移动。本发明以米氏凯伦藻为受试藻，检验材料的除藻性能，结果表明所制材料S/N/P‑TiO₂光催化剂成功抑制藻细胞生长，具有较好的除藻效果。

技术领域

本发明涉及光催化剂技术领域，具体涉及一种制备硫/氮/磷共掺杂二氧化钛光催化剂及其应用。

背景技术

水体富营养化在我国目前涉及的治理方法主要有生物法、物理法、化学法。其中物理方法主要有机械打捞、过滤截留、黏土除藻和气浮除藻等，而其也存在处理设备造价高昂,工艺流程复杂等缺点，且物理法只能对赤潮藻的爆发起到延缓的作用，不能从根本上解决问题；化学方法主要是通过运用重金属铜等化学杀藻剂达到快速除藻的目的 ,但这类化学除藻剂如果扩散到环境中将会对水体中的其它动植物影响较大。生物方法是利用一些大型藻类的代谢产物对赤潮微藻的克生作用，或者食藻生物的取食活动来抑制赤潮藻的增殖。虽然生物处理法是一类不会造成二次污染的绿色环保处理法，但也具有见效慢、处理周期长等局限性。

在赤潮藻生存的外界环境中，作为背景存在的环境因子—太阳能—可以通过纳米材料的光催化氧化反应转化成化学能，来抑制藻类的生长甚至灭活藻类。纳米材料中的TiO₂因其具有光催化活性高、无毒性、化学稳定性好等性能而被普遍认为是最佳的光催化剂之一，然而，锐钛矿相的二氧化钛光催化剂因其本征带隙相对较宽，因此其只能在紫外光谱以及可见光的有限光谱内才能产生光响应，对光的利用率较低。在现有研究中，一种有效的拓宽二氧化钛带隙的方法是对TiO₂进行元素掺杂，包括金属元素或非金属元素，而非金属掺杂则是更为环保和有前景的方法。

发明内容

本发明目的是提供一种制备硫/氮/磷共掺杂二氧化钛光催化剂及其制备方法，制备的光催化剂可以强化处理赤潮有害藻。通过溶胶凝胶法向二氧化钛光催化剂中掺杂非金属元素S、N、P对其进行改性。S的掺入可以缩短锐钛矿相二氧化钛的本征带隙宽度，提高其对可见光的利用率；N的掺入会降低电子-空穴的复合效率，使光催化剂的吸收范围红移；P的掺入可以减小光催化剂的粒子半径，增大其比表面积。三种非金属元素共掺杂通过协同作用而并非独立作用使光催化剂的性能得到显著增强。本发明通过使用三相非金属元素掺杂改性后的光催化剂来抑制藻细胞的生长与繁殖，强化除藻处理，弥补现有除藻技术存在的各种问题。

本发明的技术方案是：

一种硫/氮/磷共掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：取10 mL钛酸丁酯加入40 mL无水乙醇中，混合均匀后加入3.2 mL冰乙酸，经磁力搅拌器搅拌30分钟，形成溶液A；

步骤二：取硫脲、磷酸、尿素、1.5 mL蒸馏水与40 mL无水乙醇混合均匀，超声分散，硝酸调节pH至2，形成溶液B；

步骤三：在剧烈搅拌下将溶液B缓慢滴入溶液A，滴完后继续搅拌形成淡黄色透明溶胶，溶胶在室温下陈化形成均匀透明的凝胶；

步骤四：凝胶在80 ℃下干燥24 h，研磨后放入蒸发皿在马弗炉中煅烧，煅烧后的粉末研磨过筛即得到改性硫/氮/磷共掺杂二氧化钛光催化剂。

优选地，步骤二中所述的硫脲、磷酸、尿素中物质的量比分别为[S/Ti]=0.25，[P/Ti]=0.1，[N/Ti]=0.4。