[发明专利]一种氮和钴共掺杂二氧化钛的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能在太阳光照射下，使有机物光催化降解的氮和钴共掺杂二氧化钛的制备方法，本方法制得的氮和钴共掺杂二氧化钛，在太阳光下即呈现出显著的光催化效率。

背景技术

TiO₂因其无毒、价廉、性能稳定和光催化活性高等特点成为最具有应用价值的光催化剂。但TiO₂是宽带隙半导体，禁带宽度为3.2eV，光吸收波长范围狭窄，只能吸收波长小于400nm的紫外光(占太阳光能量的5％左右)，而对约占太阳光能量45％的可见光部分(400-750nm)却无光响应。为此，科研人员进行了大量的研究工作，试图寻找到适宜的方法以减小TiO₂的禁带宽度使其吸收光谱向可见光扩展。其中离子掺杂是改善TiO₂的光吸收和光催化活性的一种有效途径。目前所掺杂的元素涵盖过渡金属、稀土金属、贵金属、碱金属和N、C、P、F、S等非金属。一般认为，适量的金属离子掺杂，能改变TiO₂相应的能级结构，从而使TiO₂吸收光谱扩展到可见光区；掺杂离子还是光生电子和空穴的捕获剂，可有效降低电子空穴的复合几率，进而使TiO₂的光催化效率提高。非金属掺杂TiO₂的研究是继2001年Asahi等人报道了氮替代部分氧的TiO_2-xN_x光催化剂后广泛开展起来的。目前N、C、P、F、S、B等元素已相继成功地被引入到TiO₂晶格中。近年来，研究又发现，金属-非金属双元素的协同效应比单个元素掺杂更能增强二氧化钛光催化活性，因此金属-非金属元素的共掺杂研究引起关注，如中国专利CN1712129(葛昌纯等人)利用溶胶-凝胶法合成金属离子与氮共掺杂的二氧化钛光催化剂，以主波长在545nm的2U节能灯为光源，室温下使10毫克/升的甲基橙或亚甲基蓝溶液脱色降解；中国专利CN101130160、CN101108336(曹亚安等人)采用水解沉淀法分别制备出氮铟共掺杂和氮锡共掺杂纳米二氧化钛光催化剂，在可见光照射下对氯苯酚的降解率为78.43％和49.1％；中国专利CN101596457(凌钦才等人)采用溶胶-凝胶法制备硼和过渡金属或稀土金属或非金属共掺杂的二氧化钛光催化剂，经滤波片(410nm)滤过的光源照射，有机物降解率最高达60.3％；中国专利200910151938.2，中国专利CN101559368(张礼知等人)利用喷雾热解法在500～700℃温度下制备出硼镍共掺杂二氧化钛固溶体催化材料；中国专利CN101474556(王宏志等人)通过溶胶-凝胶法制备出氟、镧共掺杂的纳米二氧化钛可见光光催化剂，可见光下有机物降解率最高大82.3％；中国专利CN101475214(李国华)则采取水解沉淀-固相球磨的方法制备出掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体，但未给出光催化效率数据等。

尽管现有技术表明金属-非金属元素共掺杂二氧化钛在可见光下对有机物表现出一定程度的光催化降解性能，但光催化辐射光多为人工光源，如光强度大且波长可调的300W卤素灯，却鲜有研究报道直接给出太阳光下的光催化性能。这是因为二氧化钛的光催化性能除了受到本身性质影响外，还受到光强的影响。而太阳光包括可见光和不可见光两部分，在光照度不强情况下，金属-非金属掺杂二氧化钛的光催化效率则会大幅度降低，而这也是制约二氧化钛光催化技术实际应用和发展的主要因素。为此，针对当前能源紧张问题，充分利用太阳光源，使污染物在太阳光下被光催化降解，是缓解环境能源问题，促进光催化技术实现大规模应用的关键。

发明内容

为了解决现有技术存在的二氧化钛低太阳光催化效率的问题，本发明提供了一种氮和钴共掺杂纳米二氧化钛的制备方法，所制得的氮和钴共掺杂纳米二氧化钛，在太阳光下即呈现出显著的光催化效率。

本发明的技术方案为：一种氮和钴共掺杂二氧化钛的制备方法，表面活性剂在去离子水中完全溶解后，调节pH值为9～10，然后加入金属盐搅拌至完全溶解后，滴加钛酸四丁酯产生沉淀，充分搅拌反应至沉淀不增加后过滤分离沉淀，真空干燥后再500～600℃焙烧2～6小时，焙烧后的物质与含氮化合物分别置于两个容器内并在同一个马弗炉内100～450℃焙烧2～4小时后得到氮和钴共掺杂二氧化钛，所述的金属盐为钴的乙酸盐。

所述的表面活性剂是十六烷基三甲基溴化铵。

所述的金属盐是乙酸钴。

所述的pH值是用氨水调节。

所述的含氮化合物为脲。

所述的金属盐和钛酸四丁酯按化学计量比加料。