[发明专利]一种大比表面积Ti3+自掺杂的锐钛矿相氧化钛光催化剂及其合成方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及光催化剂合成领域，具体涉及一种大比表面积Ti³⁺掺杂的多孔锐钛矿氧化钛光催化剂及其合成方法和应用。 

背景技术

环境和能源问题已经成为当前影响人们生活和危及人类生存的主要问题。这个问题迫使人类开发清洁和可持续、可再生的能源。氢在很多应用中被广泛认为是未来的清洁能源载体,如环保车辆、家庭取暖和发电厂。光催化水解制氢因其利用自然界中取之不尽用之不竭的太阳能作为能源来源，是实现氢经济效应最有前景的方式。然而，实践证明，寻找一种满足光催化制氢所有要求（化学稳定性、耐腐蚀性、捕获可见光和合适边带）的理想的光催化很困难。幸运的是，过渡金属氧化物TiO₂绿色环保无毒定、稳定性好、耐酸碱、不发生光溶解或光腐蚀，有很好的再生性，可实现稳定连续产氢。 

然而普通的TiO₂在光催化产氢的过程中，光生电子-空穴对在催化剂内部向表面迁移的过程中极易发生复合，且易发生光催化产氢的逆反应，这些导致了光能转化为氢能的总效率很低，因此，设计合成新型高效的TiO₂ 光催化剂是提高光催化产氢效率的关键。近年来，国内外已有大量提高纳米TiO₂光催化产氢的新方法，然而通常结晶度高的纳米氧化钛具有比较小的比表面积，活性位较少、吸收光的面积较小且不利于光生电子与空穴的分离，很大程度上影响了光量子效率。其中Ti³⁺掺杂的TiO₂，因其Ti⁴⁺与Ti³⁺形成的电场对电荷的分离作用能大幅度提高TiO₂光催化产氢活性，也有大量科研人员对其进行研究。 

本发明设计合成了一种具有Ti³⁺自修饰且具有大比表面积的TiO₂，并对其表面进行单质Pt的负载，并对其结构特征及产氢活性进行了一系列研究。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术所存在的缺陷和市场需求，提供一种大比表面积Ti³⁺自掺杂的多孔锐钛矿氧化钛光催化剂及其简单易行，成本低廉的制备方法。 

本发明所提供的具有大比表面积Ti³⁺自掺杂的多孔锐钛矿氧化钛光催化剂，其特征在于：所述锐钛矿氧化钛为具有多孔结构的球形颗粒，粒径为1.2～1.5μm。 

本发明的具有大比表面积Ti³⁺掺杂的锐钛矿氧化钛光催化剂，其制备方法包括以下步骤： 

（1）将59-235mmol/L的TiCl₃溶液，优选235mmol/L，置于微波反应釜中，以18-30℃/min的升温速率，600-1000W的微波功率升温至138℃ -200℃并保持0-30min，优选升温到150℃保持0min，待冷却至室温，洗涤至中性，离心并真空干燥，得到样品A； 

（2）将所得样品A分散于以氯铂酸为溶质，水和甲醇为溶剂的溶液中，搅拌分散均匀，置于200-300W紫外光源（全波段照射）下光照30-40min，用水和酒精分别洗涤3-4次，80-90℃真空干燥3-4h。 

步骤（1）所述TiCl₃溶液的溶剂为水、冰乙酸、N，N-二甲基甲酰胺的一种或者水与冰乙酸、水与N，N-二甲基甲酰胺的混合溶液，其中冰乙酸作为溶剂最佳。 

步骤（2）中样品A与氯铂酸的用量比为0.05g/1.28×10^-6mol～0.05g/5.12×10^-6mol，优选0.05g/2.54×10^-6mol。 

步骤（2）中水和甲醇的体积比为3：1-3，优选3：1。 

上述具有大比表面积Ti³⁺锐钛矿相氧化钛光催化剂可用于光催化产氢。 

本发明以TiCl₃为钛源、冰乙酸为溶剂、微波辅助加热的条件下，成功合成了具有多孔结构的Ti³⁺自掺杂的锐钛矿相TiO₂可见光催化剂，在合成TiO₂材料的过程中，本发明选用了微波辅助加热的方法，相比于传统的加热方法，微波合成具有热能高、速度快、耗能低及产品纯度高、产率高等优点，能实现环境对绿色合成的要求。