[发明专利]碳氮硫三元素共掺杂二氧化钛光催化剂的低温制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛光催化剂的低温制备方法，具体地说，涉及一种生物分子参与的碳氮硫三元素共掺杂的二氧化钛可见光催化剂的低温制备方法。

背景技术

二氧化钛作为一种宽禁带半导体，由于其性质稳定、无毒以及高效的光催化活性，在大气、水环境污染物降解、抗菌、除臭和自清洁等等方面得到了广泛的应用。但是由于二氧化钛带隙较宽，对可见光的响应较弱，严重影响和制约了其在光催化等方面的实际应用。因此，通过改性或敏化使二氧化钛在可见光区具有光学活性是光催化研究领域的重要课题之一。文献报道的方法有过渡金属离子及金属氧化物的掺杂、稀土元素的掺杂、半导体的复合、贵金属表面沉积、表面光敏化、表面螯合及衍生作用等。

离子掺杂是提高二氧化钛在可见光区域光催化活性的一种有效途径。过渡金属离子掺杂虽然可以改善二氧化钛在可见光下的活性，但是由于金属离子成为复合中心，使二氧化钛在紫外光下的活性下降或者可见光下的活性远低于紫外光下的活性。此外，金属掺杂还可能使二氧化钛的稳定性变差。2001年Asahi在Science上报道了氮的掺杂可以使二氧化钛的带隙变窄，在不降低紫外光活性的前提下使二氧化钛具有可见光活性，掀起了C、N、S、I、F等多种非金属元素掺杂二氧化钛的研究热潮。最近，制备由两到三个非金属元素共掺杂的二氧化钛，比单个非金属元素掺杂更能使二氧化钛光学活性增强，引起了人们的兴趣。其中，掺杂剂的选择对制备具有高光催化活性的非金属掺杂二氧化钛有着重要的作用，硫尿、尿素、柠檬酸、三乙胺等有机小分子被经常用做碳、氮、硫等掺杂元素的来源。

在碳氮硫共掺杂二氧化钛的研究中，有人报道了通过在500℃下煅烧二氧化钛干凝胶和硫脲的混合物得到碳氮硫共掺杂二氧化钛，该样品在可见光区具有很好的光催化效果(J.Hazard.Mater.2007，7，113)。这种高温的制备方法存在一定的缺陷，即一方面会导致TiO₂晶粒尺寸的增大，另一方面氮元素很难掺杂进入TiO₂晶格。此外，现有技术由于须高温后处理，从而使制得的光催化剂的结构稳定性和均一性难以获得保证。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术须高温制备的缺陷，提供一种生物分子参与的高活性共掺杂二氧化钛催化剂的低温制备方法。该方法采用一种生物分子做为掺杂剂，合成出三种非金属离子共掺杂的TiO₂光催化剂，并可以有效控制所得产物的晶型与结构，使TiO₂具有更高的光催化活性。生物分子作为生物体基本结构单元有着特别的结构和优异的自组装能力，近年来，由生物分子参与的纳米材料制备方法成为研究者们的新焦点，然而到目前为止，还没有报道用生物分子作为掺杂剂来合成掺杂的二氧化钛光催化剂的方法。

本发明所说的生物分子参与的碳氮硫共掺杂的二氧化钛光催化剂的低温制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1.将无机钛化合物在0～4℃下溶解于去离子水中，形成含钛水溶液，该水溶液含钛浓度为0.25～5.0摩尔/升；

2.在搅拌下，将生物分子加入步骤1得到的含钛水溶液中，使生物分子与钛的摩尔比为0.25～3.0，形成透明溶液；

3.将步骤2所得溶液置于反应器中，于180℃进行水热反应不少于24小时；

4.步骤3结束后，将得到的产物进行洗涤、分离及干燥后，即得到碳氮硫三元素共掺杂的二氧化钛。

其中，所说的无机钛化合物选自四氟化钛、四氯化钛、硫酸氧钛或者硫酸钛，所说的生物分子为L-半胱氨酸。

本发明和现有技术相比具有显著的特点和进步：

1.利用生物分子作为掺杂剂对二氧化钛进行掺杂，得到了高光催化活性的光催化剂，为大气污染物的去除提供了新的光催化材料；

2.碳氮硫三种元素共掺杂的二氧化钛的掺杂剂由一种生物分子提供，而且由于生物分子特殊的分子结构，可以改变二氧化钛的晶型与形貌。

3.共掺杂光催化剂的制备过程简单，反应温度温和，工艺条件不苛刻，可实现工业生产；

4.与未经掺杂的二氧化钛光催化剂相比，由于碳，氮，硫的协同作用，使二氧化钛的能带隙变成更窄，因此对可见光的响应增强，在太阳光的激发下，能在短时间内快速降低空气中NO污染物的浓度，提高了太阳光的利用率，为其实际工业应用提供了基础。以下结合附图和实施例进一步对本发明进行说明。

附图说明

图1是未掺杂二氧化钛及实施例2和3碳氮硫共掺杂的二氧化钛产物的全角XRD衍射图