[发明专利]富氧空位和氮掺杂的TiO2

说明书

本发明公开了富氧空位和氮掺杂的TiO₂催化剂的制备方法及其产品和应用，具体制备是将氮化钛分散于乙醇中，在紫外下平铺于耐火碗状容器表面，溶剂挥发后形成薄膜，然后在含O₂和含N的混合气体下煅烧得到富氧空位和氮掺杂的TiO₂催化剂；制得的催化剂由于形成氧空位态捕获电子，有助于提升电催化NRR活性以及改善中间产物的吸脱附行为，同时TiO₂作为金属氧化物具有较大的比表面积，为电催化NRR反应提供了丰富的催化活性位点。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，具体涉及富氧空位(O_v)和氮掺杂的TiO₂催化剂的制备方法，还涉及由该方法制得的产品和应用。

背景技术

氮循环是全球生物地球化学的重要组成部分，硝酸盐是自然界硝化作用的最终形态。硝酸根离子因自身的负电性不易被固定，迁移能力强。水体中硝酸盐含量的提高关系到饮用水的安全，过量的硝酸盐会导致高铁血红蛋白症或蓝婴综合症。鉴于硝酸盐的危害性，我国的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2022)对硝酸盐的浓度严格规定不得高于10mg/L。近年来，高级水处理脱氮技术、物理化学脱氮技术和生物脱氮技术发展态势良好。新兴的催化还原脱氮方法：电催化还原硝酸根(NRR)，具有反应条件温和、不需额外添加化学试剂、脱氮效率高等优势，得到学者们广泛的关注，其中构建高效的催化剂是电催化还原硝酸根的首要条件。

至今，报道的新型电催化材料用于硝酸根还原反应主要包括过渡金属、金属合金及复合金属氧化物。金属氧化物具有较大的比表面积，为NRR提供了丰富了活性位点。TiO₂是一种便宜易得的半导体材料，能产生大量的氧空位(O_v)以亚稳态捕获电子，改善中间产物的吸脱附行为，因此这类缺陷被认为是增强催化活性的有效策略之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种富氧空位和氮掺杂的TiO₂(N-TiO₂-Ov)催化剂的制备方法；本发明的目的之二在于提供由所述的制备方法制得的富氧空位和氮掺杂的TiO₂催化剂；本发明的目的之三在于提供所述富氧空位和氮掺杂的TiO₂催化剂在电催化还原硝酸根中的应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、富氧空位和氮掺杂的TiO₂催化剂的制备方法，具体步骤如下：将氮化钛分散于乙醇中，在紫外下平铺于耐火碗状容器表面，溶剂挥发后形成薄膜，然后在含O₂和含N的混合气体下煅烧得到富氧空位和氮掺杂的TiO₂催化剂。

本发明优选的，所述氮化钛为TiN、Ti₂N₂、Ti₃N₄的一种或几种混合物。

本发明优选的，所述煅烧的温度为450℃～750℃。

本发明优选的，所述煅烧的时间为0.5h～2h。

本发明优选的，所述煅烧的升温速度为2℃/min～10℃/min。

更优选的，2℃/min升温至450℃保温2h。

本发明优选的，所述混合气体为O₂与N₂或NH₃一种或几种混合气体。

本发明优选的，所述氮化钛分散于乙醇后的浓度为0.05～0.25g/mL。

2、由所述的制备方法制得的富氧空位和氮掺杂的TiO₂催化剂。

3、所述富氧空位和氮掺杂的TiO₂催化剂在电催化还原硝酸根中的应用。