[发明专利]钨氮二元共掺杂纳米TiO2光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米光催化材料领域，特别是涉及一种钨氮(W，N)二元共掺杂且在可见光下具有光催化活性的纳米TiO₂光催化剂及其制备方法。

背景技术

TiO₂光催化剂因其光催化效率高、化学稳定性强、无毒性和成本低等优异的物理、化学性能，在能源和环保领域有着巨大的潜在应用价值。目前，其在太阳能染料敏化电池(DSSC)、自清洁材料、杀菌材料和环境污染治理等方面的应用已初具规模。然而，由于TiO₂是一种宽禁带的半导体，只有波长短、能量高的紫外光才能被TiO₂吸收，这就极大地限制了TiO₂的广泛应用。在当今这一能源短缺、环境污染严重的时代，人类千方百计地利用自然能源，尤其是绿色清洁、取之不尽、用之不竭的太阳能。如果能够设法改变TiO₂的能带结构，使其在可见光，尤其是太阳光的照射下即可被激发，则TiO₂光催化剂将会在能源和环境领域得到广泛应用，为人类带来无尽的福音。近年来，世界各国很多科学家们都将TiO₂光催化的研究重点转移到了对其可见光化的研究领域。为了使TiO₂吸收可见光，研究者采用了各种各样的方法，包括金属离子掺杂、半导体耦合、表面超强酸化、制备特殊形貌(如介孔材料)和染料敏化等。其中，Asahi在2001年的《Science》杂志上报道，通过N、C、S等非金属元素的掺杂，可以使TiO₂吸收可见光，在提高其可见光光催化性能的同时还不降低其在紫外光下的光催化效率，这就使TiO₂可见光化的研究向前迈进一步。目前，大多数研究者都将精力集中在如何通过掺杂各种非金属来扩展TiO₂对可见光的吸收范围，同时能够显著提高其在可见光下的光催化性能。然而，就目前的报道来看，仅通过掺杂非金属元素对提高TiO₂的可见光吸收性能和光催化性能的作用是有限的，这可能是由于仅靠一种非金属来取代晶格氧原子或钛原子的数量还很有限。因此，一些研究者开始转向金属-非金属或非金属-非金属二元共掺杂改性TiO₂的研究。

在已有的研究中，WO₃掺杂改性被广泛地用于提高TiO₂光催化剂光电化学和光催化性能，这主要是因为WO₃的酸性比TiO₂强，而且可以作为电子受体。研究结果表明，在TiO₂上负载WO₃有利于一些光催化过程，可以加快在中性介质中光催化降解丙醇、醋酸丁酯和1，4-二氯苯的过程。然而，在TiO₂上负载WO₃虽然可以在一定程度上改善TiO₂光催化剂对可见光的吸收，但是其吸收光谱的范围主要仍在紫外光区。

发明内容

本发明的目的是提供一种钨氮(W，N)二元共掺杂纳米TiO₂光催化剂及其制备方法，解决现有技术中TiO₂上负载WO₃时吸收光谱的范围主要仍在紫外光区，且在可见光下光催化效率不高等问题。采用溶胶-凝胶及机械合金化两种方法来掺杂钨元素和氮元素，从而获得在可见光下具有高的光吸收性能和催化活性的纳米TiO₂光催化剂。

本发明的技术方案是：

一种钨氮二元共掺杂纳米TiO₂光催化剂，是在可见光下具有较高的光吸收效率和光催化活性的由钨元素和氮元素共掺杂的纳米TiO₂光催化剂，钨氮二元共掺杂纳米TiO₂光催化剂中：钨元素掺杂量占0.5～10wt％，氮元素掺杂量占2.64～5.42at％。

本发明中，钨氮二元共掺杂纳米TiO₂光催化剂的制备方法，采用溶胶-凝胶法和高能球磨法连用的两步法来掺杂钨元素和氮元素；第一步，采用溶胶-凝胶法制备W掺杂的纳米TiO₂光催化剂；第二步，采用高能球磨法将氮元素掺入W掺杂的纳米TiO₂光催化剂中得到(W，N)二元共掺杂的纳米TiO₂光催化剂。

第一步，采用溶胶-凝胶法制备W掺杂的纳米TiO₂光催化剂，具体的操作步骤是：

(1)先将17～44mL钛的前躯体加入34～88mL乙醇中，搅拌30分钟，直到混合均匀；