[发明专利]制造以二氧化钛为基础的光催化剂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造以二氧化钛为基础的在可见光下也具活性的含铁光催化剂的方法及该光催化剂的应用。

背景技术

光催化材料是在光的作用下会形成电子空穴对并且这些电子空穴对在材料表面产生高反应性自由基的半导体。二氧化钛就是这样一种半导体。众所周知，用紫外线照射二氧化钛可以还原空气氧，将杂质氧化（矿化）成符合环保要求的最终产物，从而达到移除空气和水中的天然或人造杂质的目的。此外，二氧化钛的表面还会通过吸收紫外线而获得超亲水性。这就是镜面和窗玻璃上的二氧化钛薄膜具有除雾效应的原因所在。

二氧化钛的一个重要缺点是以下事实：其只能利用太阳光中的紫外线，即只能对3%至4%的辐射加以利用，而且在漫射日光下要么完全没有催化活性，要么仅具有极其微弱的催化活性。

因此，长期以来人们尝试对二氧化钛进行改性，使得具光化作用的太阳光中的主要部分（400nm至700nm左右的可见光谱范围）也能被二氧化钛用来产生上述现象。

一个能使TiO₂在日光下具有光催化活性的途径是通过还原Ti⁴⁺来在TiO₂晶格中产生氧空位。另一个途径是掺杂非金属如氮、碳或硫。掺杂金属如钒、铬、铂等等亦属已知技术。但这些研发成果中的部分需要以复杂的制造工艺如离子注入或等离子体处理作支撑。

此外还已知，含有铁组分的二氧化钛颗粒在可见光下也具有改善的光催化活性。以往已公开过多种不同的制造含铁二氧化钛光催化剂的方法。

EP0666107B1揭示一种含铁量为5ppm至10wt%的二氧化钛光催化剂。这种光催化剂是通过水解包含溶解钛化合物和溶解铁化合物的水溶液而制成。

EP1036593A1揭示一种掺杂三价铁和等摩尔量的五价离子的光催化剂，这种光催化剂同样是通过水解溶解在溶剂中的单组分、而后再进行干燥和烧结处理而制成。

US2007/0193875A1揭示一种制造掺杂铁离子的二氧化钛光催化剂的方法，其中对各前体化合物（例如各氯化物）的混合物进行渗析以移除氯离子，随后将由此产生的产物干燥并煅烧。

发明内容

本发明的目的是提供一种制造以二氧化钛为基础的在可见光谱范围内具有活性的含铁光催化剂的低成本新方法。

本发明用以达成上述目的的解决方案为一种制造以二氧化钛为基础的光催化剂的方法，其包括下列步骤：

-提供包含水合氧化钛纳米颗粒的水性悬浮液

-添加三价铁离子

-沉淀氢氧化铁

-分离包括水合氧化钛和氢氧化铁的混合物

-在至少为100℃的温度下对该混合物进行热处理。

本发明其他的有益实施方案包含在从属权利要求中。

本发明涉及一种制造以二氧化钛为基础的在可见光谱范围内具有有效活性的含铁光催化剂的方法，该方法简单且成本较低，此外还涉及所述光催化剂在分解液体和气体中的杂质和有害物质以及光电池表面和光电池内部的杂质和有害物质以及分解水方面的应用。

下文所揭示的所有关于pH值、温度、重量百分比浓度等等的数据均应理解成，所有处于本领域技术人员所熟知的精度范围的值都一并包括在内。

本发明方法的第一步骤包括提供包含水合氧化钛纳米颗粒的水性悬浮液。在下文中，水合氧化钛也指偏钛酸、水合钛氧化物（Titanoxyhydrat）、钛水合物、氢氧化钛、无定形二氧化钛或氧化钛、含水二氧化钛或含水氧化钛。纳米颗粒是指一次粒径小于100nm的颗粒。

所述水合氧化钛例如可在制造二氧化钛时按硫酸盐法或氯化物法而产生，其中通过水解硫酸氧钛或氯化氧钛沉淀水合氧化钛。所述水合氧化钛优选为无定形至微晶。一次粒径特定而言低于10nm（从电子显微图像中测定）。如果所述水合氧化钛产生自硫酸盐法，则优选在制造所述悬浮液之前对其进行清洗。

所述悬浮液优选具有最高10wt%的SO₃含量，优选4wt%至7wt%的SO₃含量。该悬浮液的铁含量优选低于100ppm，特定而言低于50ppm，特别优选低于20ppm。在本发明的其他实施方案中，该悬浮液的pH值最高约为7。

本发明方法的第二步骤包括在所述悬浮液中添加三价铁离子。以水溶性无机铁化合物或短链有机铁化合物（例如硫酸铁或草酸铁的溶液）的形式添加铁离子。