一種二氧化鈦光催化材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種二氧化鈦光催化材料的制備方法，屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明所述方法通過溶膠凝膠法制備納米TiO2，并且摻雜Co(NO3)2*6H2O以及氫氟酸，主要原理是通過共摻雜金屬元素Co以及鹵素元素F，讓他們產(chǎn)生協(xié)同作用，從而來降低禁帶寬度，提高光吸收帶邊，進(jìn)而提高TiO2的光響應(yīng)范圍，提高光催化性。本發(fā)明所述方法制備得到的光催化材料具有很低的禁帶寬度，很高的光吸收帶邊，很好的光響應(yīng)范圍，其光生電子空穴對復(fù)合率低，光生電子利用率高，制備工藝簡單，所需設(shè)備較少，成本較低，并且制備出的TiO2粉體性能穩(wěn)定，在光催化方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種二氧化鈦光催化材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種二氧化鈦光催化材料的制備方法，屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]T12在自然界中存在三種相:金紅石相、銳鈦礦相和板鈦礦相，板鈦礦和銳鈦礦相是亞穩(wěn)態(tài)，它們是T12中的低溫相;金紅石相是熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)，是T12的高溫相，銳鈦礦相和板鈦礦相得到金紅石相的轉(zhuǎn)化溫度一般為500?600 °C。從銳鈦礦到金紅石的相變是亞穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)定態(tài)的不可逆相變，不存在特定的相變溫度，通常有較寬的相變溫度范圍。
[0003]銳鈦礦相的T12具有比金紅石相的T12具有更好的光催化性能，尤其是當(dāng)顆粒尺寸下降到納米級以后，其光催化特性更加顯著，是在環(huán)保和光電池材料方面有廣闊應(yīng)用前景的光催化材料，但是其光催化性能有兩個重要瓶頸因素影響其應(yīng)用，一是T12的能隙較寬(3.2eV)，需要吸收387 nm以下的紫外線才能被激發(fā)，所以只能吸收大概5%太陽光。所以長期以來，國內(nèi)外一直致力于拓寬T12的吸收光譜。二是T12電子與空穴的復(fù)合率較高。電子與空穴的復(fù)合率高會嚴(yán)重的影響其催化性能?，F(xiàn)在主要有二方面的方法解決這二種瓶頸，一個方面是采用表面修飾改性手段，如離子摻雜、貴金屬沉積、有機染料敏化及與窄帶隙半導(dǎo)體耦合等對寬帶隙半導(dǎo)體材料(Ti02、Zn0等)進(jìn)行改性。另一個方面是從納米半導(dǎo)體材料的晶相結(jié)構(gòu)、粒徑大小、表面屬性等材料合成角度出發(fā)，試圖通過合成新型的納米級的T12材料來使其可實用化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種二氧化鈦光催化材料的制備方法，通過金屬離子以及鹵素元素的共摻雜，使其產(chǎn)生協(xié)同作用，從而來提高T12的吸收帶邊，降低禁帶寬度，并且析出第二相提高二氧化鈦從銳鈦礦向金紅石轉(zhuǎn)變的相變溫度，制備出納米級T12,具體包括以下步驟:
(I)按前驅(qū)體鈦酸四丁酯與無水乙醇體積比為1:2?1:6的比例將前驅(qū)體鈦酸四丁酯與無水乙醇混合后作為A液。
[0005](2 )按硝酸、去離子水、無水乙醇的體積比為1: 3?7:17?21的比例將硝酸、去離子水、無水乙醇混合后作為B液。
[0006](3)按3?5g/L的比例將Co(N03)2*6H20和9?llg/L的比例將氫氟酸共同加入到B液中得到C液，期間一直進(jìn)行攪拌，再將A液與C液體積比為6?8:3的比例將C液緩慢滴加入A液中，并繼續(xù)攪拌2?3小時進(jìn)行水解反應(yīng)并充分混合，得到溶膠。
[0007](4)將該溶膠在室溫下靜置陳化24?60小時，得到凝膠。并進(jìn)行干燥、研磨、煅燒、研磨后得到摻雜二氧化鈦粉末。
[0008]本發(fā)明所述氫氟酸的質(zhì)量百分比濃度為35%?45%。
[0009 ]本發(fā)明所述硝酸的質(zhì)量百分比濃度為60%?80%。
[0010]本發(fā)明步驟(4)中所述干燥的條件為90 °0110 °C下干燥24?60小時。[0011 ]優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(4)中所述干燥的條件為90°0110°C下干燥24?60小時。
[0012]優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(4)中所述煅燒條件為從室溫以4-6°C/min升溫到95°0105°C，然后以 6-8°C/min 升溫到 195°0205°C，在 195°0205°C 保溫 10~15min;之后以 8-9°C/min升溫到 395°C~405°C，在 395°0405°C 保溫 10?15min;之后再以 8-9°C/min 升溫到 495°0505°C ;再以5-6°C/min升溫到600~800°C，并保溫30~40min。
[0013]本發(fā)明的有益效果為:
(I)本發(fā)明所述方法制備工藝簡單，實驗設(shè)備較少，成本較低。
[0014](2)本發(fā)明所述方法制備得到的光催化材料光吸收性能好，吸光范圍較寬，太陽能轉(zhuǎn)化效率高，并且吸收紫外線的能力強，光催化性能比較好；
(3)本發(fā)明摻雜時加入了金屬元素Co與鹵素元素F，共摻雜產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)，使其光催化性能更加的優(yōu)良。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于所述內(nèi)容。
[0017]實施例1
(I)按前驅(qū)體鈦酸四丁酯與無水乙醇體積比為1:2的比例將前驅(qū)體鈦酸四丁酯與無水乙醇混合后作為A液。
[0018](2)按硝酸(質(zhì)量百分比濃度為60%)、去離子水、無水乙醇的體積比為1:3:17的比例將硝酸、去離子水、無水乙醇混合后作為B液。
[0019](3)按3g/L的比例將Co(N03)2*6H20和9g/L的比例將氫氟酸(質(zhì)量百分比濃度為35%)共同加入到B液中得到C液，期間一直在磁力攪拌機上進(jìn)行攪拌，再將A液與C液體積比為2:1的比例將C液緩慢滴加入A液中，并繼續(xù)攪拌2小時進(jìn)行水解反應(yīng)并充分混合，得到溶膠。
[0020](4)將該溶膠在室溫下靜置陳化24小時，得到凝膠。然后放入干燥箱中于90°C下干燥24小時，取出并研磨。
[0021](5)將步驟(4)得到的粉末放入馬弗爐中從室溫以4°C/min升溫到95°C，然后以6°C/min 升溫到 195°C，在 195°C 保溫 1min;之后以 8°C/min 升溫到 395°C，在395°C 保溫 1min;之后再以8°C/min升溫到495°C ;再以5°C/min升溫到600°C，并保溫30min。
[0022]本法制備的摻雜Co (NO3) 2*6H20和氫氟酸的二氧化鈦粉末在550 °C時表現(xiàn)為
52.lwt%板鈦礦相和47.9wt%銳鈦礦相兩相共存，而在600°C時則出現(xiàn)78.6wt%的銳鈦礦相和21.4wt%的金紅石相；隨著溫度由550°C升高到600°C，其吸收帶邊由448nm降到445nm，禁帶寬度由2.79ev升高到2.81ev;其吸收帶邊較高，禁帶寬度較小，說明其光吸收性能好，吸光范圍較寬，太陽能轉(zhuǎn)化效率高，并且吸收紫外線的能力更強，有著比較優(yōu)良的光催化性能。
[0023]實施例2
(I)按前驅(qū)體鈦酸四丁酯與無水乙醇體積比為1:6的比例將前驅(qū)體鈦酸四丁酯與無水乙醇混合后作為A液。
[0024](2)按硝酸(質(zhì)量百分比濃度為80%)、去離子水、無水乙醇的體積比為1:7:21的比例將硝酸、去離子水、無水乙醇混合后作為B液。
[0025](3)按5g/L的比例將Co(N03)2*6H20和llg/L的比例將氫氟酸共同加入到B液中得到C液，期間一直在磁力攪拌機上進(jìn)行攪拌，再將A液與C液體積比為8:3的比例將C液緩慢滴加入A液中，并繼續(xù)攪拌3小時進(jìn)行水解反應(yīng)并充分混合，得到溶膠。
[0026](4)將該溶膠在室溫下靜置陳化60小時，得到凝膠。然后放入干燥箱中于110°C下干燥60小時，取出干凝膠在瑪瑙研缽中進(jìn)行研磨；
(5)將步驟(4)中所述煅燒條件為從室溫以6°C/min升溫到105°C，然后以8°C/min升溫至|J205°C，在205°C保溫15min;之后以9°C/min升溫到405°C，在405°C保溫15min;之后再以9°C/min升溫到505°C ;再以6°C/min升溫到800°C，并保溫40min。
[0027]本法制備的摻雜Co (NO3) 2*6H20和氫氟酸的二氧化鈦粉末在550 °C時表現(xiàn)為
52.8wt%板鈦礦相和47.1?丨%銳鈦礦相兩相共存，而在650 °C時則出現(xiàn)92.3wt%的銳鈦礦相和7.7wt%的金紅石相；而在700 0C時則全部轉(zhuǎn)變成金紅石相，在800 °C可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了第二相CoTi03。隨著溫度由550°C升高到800°C，其吸收帶邊由447nm降到428nm，禁帶寬度由2.80ev升高到2.87ev。其吸收帶邊較高，禁帶寬度較小，說明其光吸收性能好，吸光范圍較寬，太陽能轉(zhuǎn)化效率高，并且吸收紫外線的能力更強，有著比較優(yōu)良的光催化性能。
[0028]實施例3
(I)按前驅(qū)體鈦酸四丁酯與無水乙醇體積比為1:4的比例將前驅(qū)體鈦酸四丁酯與無水乙醇混合后作為A液。
[0029](2)按硝酸(質(zhì)量百分比濃度為70%)、去離子水、無水乙醇的體積比為1:5:19的比例將硝酸、去離子水、無水乙醇混合后作為B液。
[0030](3)按4g/L的比例將Co(N03)2*6H20和10g/L的比例將氫氟酸共同加入到B液中得到C液，期間一直在磁力攪拌機上進(jìn)行攪拌，再將A液與C液體積比為7:3的比例將C液緩慢滴加入A液中，并繼續(xù)攪拌2.5小時進(jìn)行水解反應(yīng)并充分混合，得到溶膠。
[0031](4)將該溶膠在室溫下靜置陳化48小時，然后放入干燥箱中于100°C下干燥48小時，取出干凝膠在瑪瑙研缽中進(jìn)行研磨。
[0032](5)將步驟(4)中所述煅燒條件為從室溫以5°C/min升溫到100°C，然后以7°C/min升溫到200°C，在200°C保溫13min;之后以8.5°C/min升溫到400°C，在400°C保溫13min;之后再以8.5°C/min升溫到500°C;再以5.5°C/min升溫到700°C，并保溫35min。
[0033]本法制備的摻雜Co (NO3) 2*6H20和氫氟酸的二氧化鈦粉末在550 °C時表現(xiàn)為
53.4wt%板鈦礦相和46.6wt%銳鈦礦相兩相共存，而在650 °C時則出現(xiàn)93.7wt%的銳鈦礦相和6.3wt%的金紅石相。而在7000C時則全部轉(zhuǎn)變成金紅石相，并且可以看出，其在650°C時比實例I和實例2擁有者更高的銳鈦礦含量，這說明其相轉(zhuǎn)變溫度更高，得到銳鈦礦相更加的容易。隨著溫度由550°C升高到700°C，其吸收帶邊由448nm降到433nm，禁帶寬度由2.79ev升高至Ij2.83ev。其吸收帶邊較高，禁帶寬度較小，說明其光吸收性能好，吸光范圍較寬，太陽能轉(zhuǎn)化效率高，并且吸收紫外線的能力更強，有著比較優(yōu)良的光催化性能。
【主權(quán)項】
1.一種二氧化鈦光催化材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟: (I)按前驅(qū)體鈦酸四丁酯與無水乙醇體積比為1: 2?1:6的比例將前驅(qū)體鈦酸四丁酯與無水乙醇混合后作為A液； (2 )按硝酸、去離子水、無水乙醇的體積比為1: 3?7:17?21的比例將硝酸、去離子水、無水乙醇混合后作為B液； (3)按3~5g/L的比例將Co(N03)2*6H20和9?llg/L的比例將氫氟酸共同加入到B液中得至IJC液，期間一直進(jìn)行攪拌，再將A液與C液體積比為6?8:3的比例將C液緩慢滴加入A液中，并繼續(xù)攪拌2?3小時進(jìn)行水解反應(yīng)并充分混合，得到溶膠； (4)將該溶膠在室溫下靜置陳化24?60小時，得到凝膠;并進(jìn)行干燥、研磨、煅燒、研磨后得到摻雜二氧化鈦粉末。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化鈦光催化材料的制備方法，其特征在于:所述氫氟酸的質(zhì)量百分比濃度為35%?45%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化鈦光催化材料的制備方法，其特征在于:所述硝酸的質(zhì)量百分比濃度為60%?80%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化鈦光催化材料的制備方法，其特征在于:步驟(4)中所述干燥的條件為90°0110°C下干燥24?60小時。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化鈦光催化材料的制備方法，其特征在于:步驟(4)中所述煅燒條件為從室溫以4_6°C/min升溫到95°C~105°C，然后以6-8°C/min升溫到195°0205°C，在 195°0205°C保溫 10~15min;之后以8-9°C/min升溫到395°0405°C，在395°0405°C保溫10?15min;之后再以8-9°C/min升溫到495°0505°C;再以5-6°C/min升溫到600?800°C，并保溫30?40min。
【文檔編號】B01J21/06GK105944726SQ201610328712
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】嚴(yán)繼康, 段志操, 姜貴民, 杜景紅, 甘國友, 易健宏
【申請人】昆明理工大學(xué)