[发明专利]贵金属定向负载二氧化钛光催化剂及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及半导体光催化领域中一种贵金属定向负载二氧化钛光催化剂及其制备方法。

背景技术

在全球性能源紧缺与环境恶化的背景下，人们不得不加快新能源开发和环境保护的步伐，因此对太阳能的开发和利用受到了世界各国的大力关注。其中，光催化技术具有直接利用太阳能、催化材料成本低廉、环境友好、无二次污染等优点，成为能源和环保领域内的重点研究对象。随着光催化技术的迅速发展，光催化正在形成一个独立的研究领域，并在太阳能转换与新物质的合成以及环境净化等方面发挥出了重要作用。光催化技术的核心是光催化剂。在众多的半导体光催化剂中，二氧化钛以其光催化活性高、氧化能力强、化学稳定性好、无毒、成本低而倍受人们的青睐，是目前使用最广泛的光催化剂。但是二氧化钛自身的能带结构决定了它在光催化技术应用中还存在着一些缺陷：（1）二氧化钛的带隙较宽（金红石为3.0 eV, 锐钛矿为3.2 eV），光谱响应范围较窄，光吸收波长主要集中在紫外区（< 387.5 nm），而辐射到地面的紫外光部分仅占太阳光的5 %左右，所以从利用太阳能的角度来看，二氧化钛利用太阳能的效率很低。（2）光生载流子的复合率较高，导致量子效率较低，常规二氧化钛半导体光催化剂的量子效率只有4 %左右。（3）二氧化钛光催化氧化一些挥发性有机污染物过程中存在失活现象，使其工业应用受到极大的制约。因此，如何提高二氧化钛光催化剂的量子效率并拓展其光谱响应范围至可见光是当前研究的热点。已有文献表明，在二氧化钛表面沉积适量贵金属不仅可以为光生电子－空穴对的分离提供有效的捕获阱，适当的贵金属浓度还可以增强二氧化钛在可见光范围的扩展程度和吸收强度。但目前贵金属负载二氧化钛材料的结构和负载方法仍存在很大问题，严重制约了光催化剂性能的改善及其实际应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种贵金属定向负载二氧化钛光催化剂的方法，使贵金属负载的二氧化钛光催化剂具有优异的紫外和可见光催化性能。

本发明所述的贵金属定向负载二氧化钛光催化剂是由贵金属定向沉积在二氧化钛载体上形成。二氧化钛载体为金红石相结构，具有均匀的球状形貌，表面呈开裂状，其微球直径约为10～16μm，是由长为5～8μm、直径为3～6nm的纳米线自组装形成，每根纳米线的裸露晶面为（110）面。贵金属为铂、金、钌、铑、银、钯中的一种或几种，贵金属负载量为二氧化钛载体质量的0～3%，贵金属以零价单质形式存在，颗粒大小为2～10nm，定向沉积在二氧化钛纳米线的（110）晶面上。

本发明所述的二氧化钛载体按下述步骤制备：

（1）保持一定温度条件下，将含钛化合物在剧烈搅拌下逐滴加入到去离子水中，配成钛离子浓度为2.1～3.6M的溶液；

（2）将步骤（1）得到的溶液继续搅拌0.5～8小时，然后缓慢升温并在特定温度下保温搅拌得到胶状溶液；

（3）将步骤（2）所得的胶状溶液装入聚四氟乙烯内衬中，填充度40%～90%，将内衬放入不锈钢水热釜，之后放入程序控制烘箱中并在一定温度下进行热处理，得到白色沉淀物；

（4）将步骤（3）得到的白色沉淀物用去离子水洗涤数次，在烘箱中一定温度下干燥处理，最后获得由金红石相二氧化钛纳米线自组装形成的微球。

上述步骤（1）中的温度条件为0～20℃；含钛化合物为硫酸氧钛、钛酸四丁酯、四氯化钛、三氯化钛中的一种或几种。

上述步骤（2）中的温度条件为25~50℃，搅拌时间为4～8小时。

上述步骤（3）中的热处理温度为120～200 ℃，热处理时间为2～10小时。

上述步骤（4）中的干燥处理温度为40～80 ℃，干燥处理时间为5～20小时。

所述的贵金属定向负载二氧化钛光催化剂可按照下述步骤实现：

（1）称取0.5～2g制备好的二氧化钛载体粉末，同时按贵金属负载量为二氧化钛载体质量的0～3%的比例称取贵金属盐，然后加入到水溶液中形成悬浮液；

（2）将步骤（1）中的悬浮液在磁力搅拌器作用下剧烈搅拌2～6小时，使二氧化钛载体粉末在贵金属阳离子前驱体水溶液中均匀分散；

（3）将步骤（2）得到的悬浮液置于特定光源下，在保持剧烈搅拌的同时进行光照处理；

（4）将步骤（3）中的样品离心，洗涤数次，在烘箱中一定的温度下干燥处理。