[发明专利]一种基于小颗粒有序团聚制备宽光谱强吸收二氧化钛的方法

说明书

本发明涉及材料制备和光催化领域，具体为一种基于小颗粒有序团聚制备宽光谱强吸收二氧化钛的方法，获得廉价、稳定和高效的宽谱强吸收二氧化钛光催化材料，解决现有方法工序复杂、产量低、高能耗和高危险等问题。本发明将由小颗粒有序堆聚而成的二氧化钛微米级团聚体，与能够分解释放还原性气氛的固态掺杂剂，共同置于相对封闭的容器中，并在惰性气氛或空气气氛中进行热处理，得到宽光谱强吸收的有序团聚二氧化钛。本发明所得到的宽光谱强吸收二氧化钛的制备方法简单、温和、能耗低、成本低，不需要对二氧化钛进行预掺杂或预处理，能够实现规模化制备，在光催化领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及材料制备和光催化领域，具体为一种基于小颗粒有序团聚制备宽光谱强吸收二氧化钛的方法。

背景技术

能源是人类社会发展的物质基础，到目前为止人类消耗的总能源中化石能源约占80％，而长期依赖化石能源面临资源枯竭和严重的环境问题，因此，迫使人类发展洁净可持续的新型能源。在多种新能源中，太阳能因具有分布广泛、生态环境友好、能量巨大、可持续时间长等优点而受到全世界的广泛关注。光催化分解水制氢始于20世纪70年代日本科学家藤岛昭和本多健一发现的在电化学对电极中用氧化钛半导体作为光阳极光照时可分解水制取氢气，即“本多-藤岛”效应。进一步研究发现，除了可用光电化学方式分解水制氢外，通过直接光照分散于水中的粉体氧化钛光催化剂也可直接分解水制氢，该方法更加简便易行，从而极大地扩展了光催化制氢的研究范围以及推进了光催化制取太阳燃料的研究热。在众多光催化材料中，二氧化钛由于其低成本，高稳定性和环境友好等优点，同时也具备满足光解水要求的合适带边位，被认为是有望应用于大规模光解水制氢的理想光催化材料之一，因此备受关注。然而，本征二氧化钛材料是典型的宽禁带金属氧化物半导体，其带隙为3.2eV，只能吸收占太阳光总能量约5％左右的紫外光，无法有效利用在太阳光谱中占45％的可见光能量，严重制约了二氧化钛在光催化太阳能转化中的实际应用，因此适当缩小带隙是提高二氧化钛的可见光响应、最大限度实现太阳能到氢转化的关键前提。

在现有的宽光谱强吸收二氧化钛的制备方法中，文献1[Science,2001,293,269]、文献2[Science,2002,297,2243]、文献3[J.Am.Chem.Soc,2008,130,5018]和文献4[Angew.Chem.Int.Ed,2008,47,4516]虽然成功制备了具有宽光谱吸收的二氧化钛，但其制备工艺复杂，且在可见光区域只能获得非常有限的光吸收强度。

中国专利(公开号CN102343260B)利用水热法预先制备B掺杂二氧化钛，再通过后续氨气气氛处理获得了非均相B/N共掺杂宽光谱强吸收二氧化钛。中国专利(公开号CN109999872A)通过改变掺杂剂类型和掺杂温度获得了均相B/N共掺杂宽光谱强吸收二氧化钛。这两种方法均需要预先进行B掺杂处理弱化Ti-O键，再进行N掺杂，制备工艺复杂，不利于规模化生产，且只能制备锐钛矿型宽光谱强吸收二氧化钛，无法有效制备金红石和板钛矿型宽光谱强吸收二氧化钛。中国专利(公开号CN107540013A)通过氢气气氛低温处理钛盐水解产物的方法实现了宽光谱强吸收二氧化钛的制备，但该方法使用氢气作为气氛源，制备成本高、危险性大，不利于规模化生产，同样只能制备锐钛矿型宽光谱强吸收二氧化钛，无法有效制备金红石和板钛矿型宽光谱强吸收二氧化钛。

截止目前，尚无利用一步法同时实现低成本、可规模化制备宽光谱强吸收锐钛矿、金红石和板钛矿型二氧化钛的文献和公开专利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于小颗粒有序团聚制备宽光谱强吸收二氧化钛的方法，获得廉价、稳定和高效的宽谱强吸收二氧化钛光催化材料，解决现有方法工序复杂、产量低、高能耗和高危险等问题。

本发明的技术方案是：

一种基于小颗粒有序团聚制备宽光谱强吸收二氧化钛的方法，将由小颗粒有序堆聚而成的二氧化钛微米级团聚体，与固态掺杂剂均匀混合后，共同置于相对封闭的容器中，并在惰性气氛或空气气氛中进行热处理，得到宽光谱强吸收的有序团聚二氧化钛。