一種快速檢測氧化鈦中氧空位的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氧化鈦催化劑研宄領(lǐng)域，具體涉及一種利用氧化鈦的氧空位與乙醚催 化發(fā)光反應(yīng)的相關(guān)性，以乙醚作為分子探針來快速檢測氧化鈦中氧空位的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氧化鈦具有十分優(yōu)異的光學(xué)特性，高的化學(xué)穩(wěn)定性，熱穩(wěn)定性，無毒性且在自然界 中儲存量大，在很多領(lǐng)域都顯示出很好的發(fā)展前景。研宄發(fā)現(xiàn)，氧化鈦的性質(zhì)不僅僅依賴于 其幾何以及電子結(jié)構(gòu)，同時也受到其缺陷結(jié)構(gòu)的影響。目前，已經(jīng)有很多的科學(xué)工作者致力 于氧化鈦缺陷的化學(xué)、電學(xué)以及光學(xué)性質(zhì)研宄，以更好的調(diào)控氧空位的濃度，從而來促進催 化反應(yīng)。在這些氧化鈦的缺陷中，氧空位被認為是有突出研宄意義的缺陷。理論計算和實 驗表征顯示，二氧化鈦中的氧空位能作為光生電子陷阱，從而有效的增強其光催化活性。因 此，有效的評價氧化鈦中氧空位的濃度對于通過合適的手段調(diào)控氧化鈦的性質(zhì)具有非常重 要的意義。
[0003] 然而，由于氧空位具有不穩(wěn)定，濃度低的性質(zhì)，導(dǎo)致其很難被檢測。目前用于氧空 位檢測的方法主要有表面滴定法，電子順磁光譜（ESR)，X-射線光電子能譜法（XPS)。例 如：A.N.Petrov,SolidStateIonics1995, 80, 189-199該文獻采用表面滴定法，該方法為 傳統(tǒng)的氧空位定性和定量分析方法，其缺點是當(dāng)Ti02催化劑顏色較深時，滴定終點容易受 到干擾而產(chǎn)生一定的誤差。文獻Xu，X.Inorg.Chem. 2015, 54, 1556-1562利用電子順磁光譜 (ESR)對氧空位進行了有效的表征，但是通常這種方法對系統(tǒng)的要求比較高，同時需要專業(yè) 的技術(shù)人員操作；文獻Murray,C.B.J.Am.Chem.Soc. 2012, 134, 6751-6761 采用X-射線光電 子能譜法（XPS)，利用0Is的XPS結(jié)合能很好的表征了Ti02表面的氧空位，但是這種方法 相對成本較高，耗時長，這就限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用性。研宄一種快速、簡便的評價氧化 鈦中氧空位的方法是相當(dāng)重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種快速檢測氧化鈦中氧空位的方 法，該方法簡便、快捷，具有較高的實際應(yīng)用前景。
[0005] 該方法以乙醚分子作為探針，利用金屬離子摻雜的Ti02以及氫氣熱處理過的Ti02 的催化活性與其氧空位含量的相關(guān)性，結(jié)合氣體催化發(fā)光來快速檢測氧化鈦的氧空位，進 而對氧化鈦的催化活性進行篩選評價。在氣體狀態(tài)下，首先，氣體分子乙醚和氧氣擴散到氧 化鈦表面；氧化鈦表面的氧空位具有較強的吸附氧氣分子的能力，吸附到氧空位的氧氣可 以通過捕獲一個自由電子形成具有較強氧化性的超氧種類（〇 2_)，然后，化學(xué)吸附態(tài)的乙醚 分子與〇2_反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)的乙醛分子（CH3CH(f)，激發(fā)態(tài)的乙醛分子回到基態(tài)的過程會產(chǎn) 生一定的能量，該能量以光學(xué)的形式釋放出來，并由光電倍增管放大信號檢測。根據(jù)氧化鈦 中氧空位的量與發(fā)光信號成正比，通過測定發(fā)光信號的強弱，實現(xiàn)氧化鈦中氧空位的快速 檢測，同時可以篩選到適合的氧化鈦催化劑。
[0006] 檢測氧化鈦中氧空位的裝置如圖1所示，其中空氣泵、氣化室、石英管通過硅膠管 連接，石英管置于化學(xué)發(fā)光分析儀中；石英管內(nèi)有一個可拆卸陶瓷棒，一個接觸變壓器給陶 瓷棒加熱；化學(xué)發(fā)光分析儀與電腦連接。
[0007] 氧化鈦中氧空位的具體測試方法如下：
[0008] A.將氧化鈦粉末加入去離子水中配成0. 50-0. 55g/mL的漿液，均勻涂覆到陶瓷棒 上，涂覆的厚度為〇. 45-0. 50mm。
[0009] 所述的氧化鈦是摻雜了M金屬離子的，M為Cu，F(xiàn)e，Co，Cr離子之一，M的摻雜量占 Ti02的質(zhì)量百分含量是0. 5% -2. 0%以及經(jīng)過250°C_400°C氫氣氣氛下焙燒處理30-60分 鐘的氧化鈦。
[0010] B.待步驟A陶瓷棒上的漿液微干，將陶瓷棒裝入化學(xué)發(fā)光分析儀器內(nèi)部的 石英管中；除去空氣泵中的水、用經(jīng)活性炭過濾后的空氣作為反應(yīng)的載氣，控制流速在 200-300mL/min，使得氣體流速均勻的通過石英管中陶瓷棒的表面；用接觸變壓器給陶瓷棒 施以100-110V的電壓，將陶瓷棒的溫度升至檢測的溫度150-200°C;
[0011] C.開啟汽化室內(nèi)升溫度裝置使溫度升至150-200°C，將0. 1摩爾乙醚溶液注入汽 化室中，空氣泵中的空氣流經(jīng)汽化室并將其中汽化的乙醚帶入石英管，乙醚與陶瓷棒上的 氧化鈦反應(yīng)并產(chǎn)生發(fā)光，由化學(xué)發(fā)光分析儀采集數(shù)據(jù)，記錄并分析數(shù)據(jù)。根據(jù)氧化鈦中氧空 位的量與反應(yīng)產(chǎn)生的發(fā)光信號成正比的現(xiàn)象，從而可比較氧化鈦催化劑中氧空位含量的高 低。
[0012] 所述的汽化室是外部有加熱套的體積為l_2mL的金屬容器。
[0013] 圖2顯示的是不同質(zhì)量分數(shù)的Cu摻雜氧化鈦的催化發(fā)光信號，隨著Cu摻雜含量 的增多，化學(xué)發(fā)光信號值呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這一趨勢與表1所示Cu摻雜氧化鈦樣 品中氧空位的含量的變化趨勢是一致的；圖3顯示的是Cu，F(xiàn)e，Co，Cr四種金屬離子摻雜的 氧化鈦的催化發(fā)光信號，其中Cu/Ti02發(fā)光信號最高，依次為Co/TiO2,Fe/Ti02,Cr/Ti02;圖 4顯示的是氫氣氣氛下不同溫度焙燒處理后的氧化鈦樣品的化學(xué)發(fā)光信號，化學(xué)發(fā)光信號 強度隨著焙燒溫度的升高呈現(xiàn)增大趨勢。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：采用乙醚作為分子探針來快速評價氧化鈦中氧空位的方 法，這種方法簡便、快捷，同時設(shè)備簡單、成本低、反應(yīng)時間短，可廣泛應(yīng)用于氧化鈦中氧空 位的評價。
【附圖說明】
[0015] 圖1氧化鈦催化劑中氧空位評價的反應(yīng)裝置圖。
[0016] 1為空氣泵，2為氣化室，3為化學(xué)發(fā)光分析儀，4為電腦，5為石英管，6為陶瓷加熱 棒，7為變壓器。
[0017] 圖2實施例1中氧化鈦中Cu摻雜量與催化發(fā)光信號的對應(yīng)圖。
[0018] 圖3實施例2中氧化鈦中摻雜的金屬離子與催化發(fā)光信號的對應(yīng)圖。
[0019] 圖4實施例3中氧化鈦在氫氣中的焙燒溫度與催化發(fā)光信號的對應(yīng)圖。
【具體實施方式】[0020] 實施例1
[0021] 采用圖1所述實驗裝置。
[0022