[发明专利]一种锰掺杂二氧化钛纳米纤维材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种锰掺杂二氧化钛纳米纤维材料的制备方法，属于光催化材料技术领域,对环境中的有机污染物具有较高的光催化降解效率。所述制备方法，包括：将两亲性阳离子短肽分散在水中，超声分散，调节溶液pH值，置于室温放置一周以上，得到短肽自组装体溶液；将二氧化钛前驱体、高锰酸钾溶液和硝酸锰溶液依次加入到所述两亲性短肽自组装溶液中，涡旋混匀，在室温反应后，离心得到灰褐色沉淀；将灰褐色沉淀洗涤后加热，除去短肽模板，得到锰掺杂二氧化钛纳米纤维材料。本发明可用于制备锰掺杂二氧化钛纳米纤维材料。

技术领域

本发明涉及光催化材料技术领域，尤其涉及一种锰掺杂二氧化钛纳米纤维材料的制备方法。

背景技术

二氧化钛具有无毒、廉价、活性高、耐紫外光辐射、耐强氧化剂以及耐酸碱等特点，是一类极具吸引力的多功能半导体材料，在光子器件、太阳能电池和光催化等领域具有巨大的应用前景。但氧化钛的固有禁带宽度过宽(锐钛矿相禁带宽度为3.0eV，金红石相禁带宽度为3.2eV)，使其只能被波长小于387nm的紫外光(在太阳光中占比小于5％)激发，而对于占比50％以上的可见光并不敏感。过低的光利用率严重地限制了氧化钛的应用效果。为此，科研工作者进行了大量的研究工作，调整氧化钛的禁带宽度，将其光响应范围向可见光区扩展。目前，国内外关于氧化钛光催化剂的主要改性技术包括离子掺杂(参见Mao Y.等，《德国应用化学》，2014，53:10485)、表面贵金属沉积(Yun J.等，《美国化学会应用材料于界面》，2015，7:2055)、半导体复合(Thapa A.等，《纳米研究》，2014，7:1154)以及金属络合物和染料光敏化(Altin I.等，《淡化与水处理》，2016，57:16196)。其中，向氧化钛相中掺杂其它元素，使其吸收边界向着可见光区拓展被认为是一种高效且简单易行的方法，受到了众多科研者的关注。

氧化钛的掺杂改性包括非金属离子掺杂(例如，碳、氮、硫、氟等)和金属离子掺杂(如铁、钴、铜、钒、镓等)。其中，非金属离子在主相中一般作为阴离子存在，而金属离子则作为阳离子存在于氧化钛中。相比非金属掺杂需要复杂的过程控制(例如通过焰火反应进行阴离子掺杂)，过渡金属阳离子掺杂较为简单，被认为是一种十分具有前景的掺杂手段。而在众多的过渡金属元素中，多价态金属如锰、铁已被证实能够增强氧化钛对可见光的吸收，锰离子掺杂进入金红石相氧化钛后，在收缩的禁带间隙中引入弯曲的中间能带，可构成电子能带结构的显著改变。这种弯曲的中间能带(IB)在不同波长光吸收过程中将作为“垫脚石”来有效参与价带的电子传递，从而造成材料光吸收的显著红移。

作为光催化材料，光催化性能除了与其光吸收能力有关之外，还受控于其光生电子和空穴的分离和传输性质。一维纳米材料具有一定的量子尺寸效应，能够提高光催化反应的量子产率；在光学性质上，一维纳米材料具有较大的纵横比，能显著增强光的散射和吸收；在微观结构上，一维纳米材料具有较小的电子迁移路径，有利于电子的传输，延缓电子的覆灭。因此，通过制备结构可控的锰掺杂二氧化钛纳米纤维材料，有望获得较高的太阳光利用效率和光催化转化效果，并在有机污染物的处理、光电/光化学转化等领域获得应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锰掺杂二氧化钛纳米纤维材料的制备方法，能够提高二氧化钛对太阳光的利用率和光催化效率，从而提高光催化转化效率和有机污染物的降解效果。

本发明提供了一种锰掺杂二氧化钛纳米纤维材料的制备方法，包括：

将两亲性阳离子短肽分子超声分散于水中，调节溶液pH值，置于室温放置1周以上，得到两亲性短肽的自组装溶液；

将二氧化钛前驱体、高锰酸钾溶液和硝酸锰溶液依次加入到所述两亲性短肽自组装溶液中，涡旋混匀，在室温反应10-24小时后，离心得到灰褐色沉淀，洗涤沉淀，在300-500℃加热2-10小时，以除去短肽模板，得到锰掺杂二氧化钛纳米纤维材料；