[发明专利]一种TC4基体纳米二氧化钛薄膜光催化剂热处理表面改性方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米二氧化钛薄膜光催化剂的表面改性方法。

背景技术

环境及能源危机是人类生存和发展所面临的严峻问题。由于氢气燃烧的产物是水, 燃烧热高并且不会对境有任何污染，因此氢能是目前大家关注最多的绿色源之一；而太阳能是一种取之不尽、用之不竭的自然源，利用太阳能光解水制氢成为人们目前研究的热点，1972年Fujishima和Honda发现TiO₂可以光解水制氢, 近几十年来, 人们对光催化产氢的理论和技术进行了深入广泛的研究,取得了很大的进展，但是也存在一些亟待解决的问题，经过改性的纳米粉末状的催化剂有很好的产氢效果，但由于回收困难，既无法重复使用，排到环境中又会造成污染，所以制备具有高可见光活性和光稳定性的固定化半导体光催化剂是研究的重点和难点。

但是TiO₂是宽带隙半导体，锐钛矿的禁带宽度为3.2eV，金红石的禁带宽度为3.0eV, 主要对波长小于400nm的紫外光才有吸收;此外还存在光生电子-空穴对寿命短、光催化过程量子效率低等缺点。V₂O₅禁带宽度为2.24eV。可以吸收λ≤564nm的太阳光，把具有这种窄带隙的V₂O₅与宽带隙的TiO₂复合到一起提高了光的利用率。V₂O₅/TiO₂耦合型催化剂，广泛的用于工业上的一些重要的催化反应，包括二甲苯的选择氧化反应，碳氢化合物的氨氧化反应，伊朗科技大学的M.R.Bayati，用微弧氧化（MAO）的方法，以纯钛为基体，电解液为0.03M的NaVO3，使用交流电源，施加电压为250~500V，制备了禁带宽度为2.58eV窄带隙的（V₂O₅）x-(TiO₂)1-x纳米片结构的膜层。虽然实现了催化剂的纳米化和固定化，但是纳米粒子呈无序结构排列，在纳米颗粒上存在大量的晶界和表面缺陷，这些晶界和表面缺陷会捕获电子，从而导致光生电子和空穴复合几率大，从而影响了光催化剂的催化活性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有固定化二氧化钛光催化剂的催化活性低的问题，提供了一种TC4基体纳米二氧化钛薄膜光催化剂热处理表面改性方法。

本发明的TC4基体纳米二氧化钛薄膜光催化剂热处理表面改性方法是通过以下步骤实现的：一、在TC4钛基体上制备纳米二氧化钛薄膜：将TC4钛基体进行预处理去除表面氧化膜，然后将预处理后的TC4钛基体作为工作电极置于电解液中，铜片作为对电极，控制反应电压为10~30V，进行恒压阳极氧化20~120min，即在TC4钛基体上得到纳米二氧化钛薄膜，其中电解液组成为：5~6g/L的NH₄F和体积浓度为2%~5%的H₃PO₄溶液，溶剂为水；二、将经步骤一处理后的TC4钛基体放入管式炉内，然后将管式炉加热至300~600℃，保温1~3h，再随炉冷却即在TC4钛基体上得到改性后的二氧化钛薄膜光催化剂，即完成TC4基体纳米二氧化钛薄膜光催化剂热处理表面改性方法。

本发明通过两步法来实现纳米二氧化钛薄膜的热处理表面改性，得到具有Ti-O-V纳米结构的改性二氧化钛薄膜光催化剂，其中，钒以五氧化二钒的形式与TiO₂复合在一起。步骤一制备的纳米二氧化钛薄膜为有序排列的TiO₂纳米管阵列，实现了固定化二氧化钛薄膜的有序化和纳米化；经步骤二在管式炉中空气气氛中热处理后，将步骤一得到的纳米二氧化钛薄膜中V元素高温（300~600℃）氧化成V₂O₅，并与TiO₂复合在一起，得到了具有Ti-O-V纳米结构的改性二氧化钛薄膜光催化剂。有序排列的TiO₂纳米管阵列由于具有一维的孔道结构，电子沿着孔壁传输，避免了晶粒之间的接触，因此加速了电子的传输速率，有效提高光生电子-空穴对的分离效率，从而提高了纳米二氧化钛薄膜光催化剂的光催化活性。

本发明的热处理表面改性方法制备工艺简单，制备过程容易控制，而且V来自于TC4钛基体，则V₂O₅与TiO₂复合均匀，能有效提高光生电子-空穴对的分离效率。