[发明专利]一种氮氧化钛光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化钛光催化化工技术领域，具体涉及一种氮氧化钛光催化剂的制备方法。

背景技术

随着全球能源危机和环境恶化的加剧，利用半导体光催化降解有机污染物以及光催化分解水制氢的技术由于具有操作简便、无污染等问题引起了人们的高度重视。迄今，TiO₂半导体是目前研究最为广泛的光催化材料，其在光催化降解有机物、杀菌消毒、污水处理、空气净化以及光催化分解水制氢等领域均有广泛的应用前景。但TiO₂为宽带隙半导体，其只对紫外光响应且光生载流子极易复合等缺点限制了其使用。在对TiO₂的改性中，氮氧化钛作为一种高稳定性和高可见光活性的催化剂，逐渐引起人们的注意[[i],[ii],[iii]]。

目前，制备氮氧化钛的方法主要有磁控溅射法[[iv]]、溶胶-凝胶法[[v]]、等离子气相沉积法[[vi],[vii]]以及湿化学法[[viii]]等。其中，磁控溅射法设备不仅昂贵，且制备过程复杂，使得其成本较高；溶胶-凝胶法和湿化学法所用的Ti前驱体不稳定，且伴随有机污染物排放，对环境造成污染。水热法可以提供一个高温、高压的环境，制得的样品粒径均一，且样品形貌可控性强，因此是常用的方法之一。此外，研究表明，光催化剂的形貌及其比表面积对催化剂的光催化活性有重要的影响[[ix],[x]]。Ao等采用水热法在模板剂的存在下制备了氮掺杂TiO₂空心球[[xi]]。

迄今，以氮化钛（TiN）粉体在氧化剂存在下制备纳米氮掺杂TiO₂的工作已有报道[12,13]，但是利用TiN为前驱体在浓碱和氧化剂共同存在下制备高比表面积的菊花状氮氧化钛粉体的工作还未见报道。

本发明以市售TiN粉体为前驱体，在浓碱和氧化剂共同存在下，在水热环境下采用一锅煮的方法制得了具有高吸附性和高光催化活性的菊花状氮氧化钛光催化剂，且样品极易从溶液体系中分离，从而在光催化降解污染物及光催化分解水制氢等领域具有潜在的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有高吸附性能及高光催化活性的氮氧化钛光催化剂的制备方法。

本发明提出的氮氧化钛粉体光催化剂的制备方法，所用的主要原料为TiN粉体，设备有常规的烘箱以及水热釜。将TiN粉体与浓碱溶液混匀，然后加入氧化剂溶液，搅拌均匀，得到混和乳液；然后将混合乳液转移到水热釜中，150~200 ℃保持6~18 h，得到的样品，经去离子水洗涤至中性，烘干，即可得到菊花状氮氧化钛粉体。其中，所述浓碱溶液的浓度为5~10 mol/L，所用的氧化剂可为氢氟酸和过氧化氢中至少一种，氧化剂溶液氢氟酸和过氧化氢的浓度分别为0~ 0.06 mol/L和0~0.5 mol/L。氧化剂溶液氢氟酸、过氧化氢的浓度优选0.001~ 0.06 mol/L和0.01~0.5 mol/L。

本发明所用的碱可为氢氧化钠，前驱体TiN粉体与浓碱的物质的量的比可为0.01~0.02；氧化剂氢氟酸、过氧化氢与TiN粉体的摩尔比分别在0~0.4和0~5 之间。优选摩尔比分别为0.01~0.4和0.1~5 之间。

本发明中，碱的存在是形成纳米结构的氮氧化钛的必须条件；氧化剂的作用是氧化TiN前驱体，它可以是过氧化氢也可以是氢氟酸，或是两者同时存在。实验结果表明，浓碱和氧化剂过氧化氢存在下或浓碱和氧化剂氢氟酸及过氧化剂三者共同存在时效果远好于浓碱和氧化剂氢氟酸存在时得到的样品。

实验表明，由本发明方法制备的氮氧化钛的氧化程度可以通过调节碱溶液的浓度、水热时间、水热温度或氧化剂溶液浓度来控制，制备方法简单。光催化测试结果表明，由该方法制备的菊花状氮氧化钛具有优异的光催化降解亚甲基蓝和光催化分解水制氢活性。

本发明制备的菊花状氮氧化钛对有机分子亚甲基蓝表现出优异的吸附性，如图3所示。在紫外光照射下，所制得的菊花状氮氧化钛对亚甲基蓝表现出较高的光催化降解活性，如图4所示。 在紫外-可见光照射下、以Na₂S-Na₂SO₃为牺牲剂，制得的菊花状氮氧化钛表现出较高的光催化分解水制氢活性，如图5所示。实验结果表明，由本发明制得的氮氧化钛可在光催化降解以及光催化制氢等方面得到应用。

附图说明