[发明专利]掺杂改性的可见光响应二氧化钛光催化剂及其制法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及掺杂改性的可见光响应二氧化钛光催化剂及其制备方法，以及该掺杂改性的可见光响应二氧化钛光催化剂可直接用于光催化降解污水中的有机污染物，或与聚合物混合作为复合光催化剂使用方面的用途。

背景技术

自从1972年日本学者Fujishima发现二氧化钛(TiO₂)电解水以来，光催化反应技术作为解决能源和环境问题的潜在途径引起了人们极大的关注。TiO₂具有光催化活性高、化学性质稳定和环境友好等优点而认为是最具发展前景的光催化材料。但是，TiO₂半导体光催化剂禁带宽度较宽，带隙能较大(锐钛矿型的禁带宽度E_g＝3.2eV)，只能吸收波长较小的紫外光(波长小于400nm)，而次波段的光在太阳光总能量中还不足5％，太阳能利用率低。另一方面，纳米TiO₂半导体光催化剂光生电子和空穴极易复合，光生载流子效率低，这极大限制了其实际应用。

为了提高TiO₂光催化剂的光响应范围，目前采用的方法主要有金属离子掺杂和非金属离子掺杂等方法，例如中国发明专利CN1116927公开了一种改进型共溶液掺杂制备纳米TiO₂的方法，掺杂元素为铁、铜等金属，光催化剂平均粒度为10～20nm，在可见光区域内对光的吸收度为20～25％，可以利用太阳光或室内白炽灯等可见光源实现光催化，但是可见光的吸收率较低，不能充分利用太阳能。另一中国发明专利CN101791562公开了一种铁、氟共掺杂的纳米二氧化钛可见光光催化剂的制备方法，但该方法需要通过高温煅烧才可得到铁、氟共掺杂的纳米二氧化钛可见光光催化剂，制备成本较高。

二氧化钛光催化剂粉体在实际应用中与待处理污水形成悬浮体系，后期处理必须经过过滤、离心、絮凝等方法将其分离回收，过程复杂，增加了回收难度，循环利用率低。采用聚合物为载体制备复合光催化剂可以大大提高循环使用效率，操作方便，为开发高效稳定的可见光响应光催化剂提供了新的思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掺杂改性的可见光响应二氧化钛光催化剂。

本发明的另一目的在于提供一种反应条件温和、所需设备简单、原料易得，适用于大规模生产的掺杂改性的可见光响应二氧化钛光催化剂的制备方法。

本发明的再一目的在于提供一种掺杂改性的可见光响应二氧化钛光催化剂的用途，该掺杂改性的可见光响应二氧化钛光催化剂可直接用于光催化降解污水中有机污染物，也可与聚合物混合作为复合光催化剂使用。

本发明的掺杂改性的可见光响应二氧化钛光催化剂是将钛酸酯在三氟乙酸溶液中水解，干燥得到固体干凝胶，然后重新溶于水中，加入掺杂剂，进行水热处理制得。采用本发明的制备方法得到的二氧化钛光催化剂在可见光照射下具有良好的光催化活性且光催化活性高。本发明的制备方法简单，所用设备操作容易。该掺杂改性的可见光响应二氧化钛光催化剂可直接用于污水处理中有机污染物的光催化降解，也可与聚合物树脂混合作为复合光催化剂使用。

本发明的掺杂改性的可见光响应二氧化钛光催化剂，是在二氧化钛的表面修饰有三氟乙酸且在二氧化钛内部含有掺杂剂，其中三氟乙酸的含量为40～60wt％，掺杂剂的含量为0～5wt％，余量为二氧化钛。

所述的掺杂剂选自FeCl₃、Fe(NO₃)₃、CuCl₂、Cu(NO₃)₂、Mn(CH₃COO)₂、AgNO₃、CH₃COOAg等所组成的组中的至少一种。

本发明的掺杂改性的可见光响应二氧化钛光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(a)将钛酸酯加入到三氟乙酸溶液中水解，其中钛酸酯∶三氟乙酸的摩尔比为1∶4～1∶10，室温搅拌(搅拌时间一般为1～3小时)，得到黄褐色溶液；干燥并除去可挥发性副产物和过量的三氟乙酸，得到表面修饰有三氟乙酸的二氧化钛干凝胶；

(b)将步骤(a)得到的表面修饰有三氟乙酸的二氧化钛干凝胶溶解于水中，加入掺杂剂，然后进行水热处理(水热处理的时间一般为3～10小时)，取出干燥得到掺杂改性的可见光响应二氧化钛光催化剂；其中三氟乙酸的含量为40～60wt％，掺杂剂的含量为0～5wt％，余量为二氧化钛。

所述的钛酸酯选自钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯、钛酸四正丁酯所组成的组中的至少一种。