[发明专利]一种掺杂铈的纳米二氧化钛光催化剂及其高温分解制备方法

说明书

本发明公开一种掺杂铈的纳米二氧化钛光催化剂及其高温分解制备方法。本发明通过在有机酸的保护下对于有机钛酯进行醇解，再将含铈盐溶解其中制成均匀复合溶液，经高温分解和烧结工艺得到掺杂铈的纳米二氧化钛。本发明的制备方法工艺简单，易于实现铈离子的均匀掺杂，能够精确控制铈离子的掺杂量，并在制备过程中，铈离子进入晶格，产生晶格畸变，从而能够提高二氧化钛的光催化性能，同时本发明的方法可以精确控制金红石与锐钛矿混合晶型、单有锐钛矿晶型的形成以及混合晶型中两种晶型的比例，并且晶化程度好。在实际生产中由于设备要求低、周期短、耗资少，完全可以实现产业化大量生产。

技术领域

本发明属于光催化材料制备领域，具体是一种掺杂铈的纳米二氧化钛光催化剂及其高温分解制备方法。

背景技术

近几年，为了实现经济的快速增长，出现了大量工厂，人们的生活水平得到提高，但却造成了严重的环境问题。大气、土壤、水污染等问题逐渐变得严峻。许多科研工作者为了解决这些问题，开始寻找一些无毒、低成本、可循环使用的催化剂对于一些有机污染物进行分解。因此，环境友好型光催化技术得到了较大发展，而纳米二氧化钛被认为是最具有应用前景的光催化剂，众多研究人员进行了大量研究。纳米二氧化钛是一种无毒无害的新型无机功能材料，具有光催化活性高、性能稳定、杀菌消毒、凝解、不水解、比表面积大、表面有丰富失配键、无毒，可用于空气净化、医疗、化学合成、贵金属提取冶金、新能源等多个领域。

二氧化钛具有两种晶型，锐钛矿相光催化能力强，金红石相紫外线吸收能力强。将其制成粉体，可以加入涂料涂在墙上，吸收甲苯之类的气体,也可运用于对污水的光催化上以及根据不同的晶型运用到相适应方面。

然而纳米二氧化钛由于禁带宽度约为3.2eV，对于太阳光的利用率只有大约4％，所以其对有机物的催化效率不高，在应用方面有着巨大的限制性。对其进行改性可以极大提高光催化效率，改性方法主要使用(1)离子掺杂(2)半导体复合(3)负载(4)敏化，这些方面都取得了不同的成果。通过对于离子的掺杂不仅可以有效降低光生电子与空穴的复合几率，而且可以使二氧化钛光吸收波长进入可见光范围，增加可见光区域的光吸收量，进而提高二氧化钛的光催化活性。

由于二氧化钛锐钛矿与金红石之间存在混晶效应，适当的混合晶型比例有望进一步提高催化效率。

离子掺杂中稀土离子的掺杂改性相比于其他方法更为广泛，效果也较为明显。目前，对于稀土纳米二氧化钛的制备方法主要有水热合成法、控制水解法、沉淀法和化学气相沉积法等。但它们普遍存在团聚现象明显、方法复杂、对设备要求高、流程长，耗资多，效率低等问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种掺杂铈的纳米二氧化钛光催化剂及其高温分解制备方法，实现掺杂铈的纳米二氧化钛的短流程、规模化生产，不仅能够明显提高催化效率，而且能够实现控制锐钛矿相与金红石相特定比例混合或单纯锐钛矿相晶型的形成。

本发明的技术方案为：

一种掺杂铈的纳米二氧化钛光催化剂，铈的掺杂量占光催化剂中Ce、Ti两元素摩尔总和的1％～5％，掺杂元素铈以氧化物的形式存在，掺杂铈的纳米二氧化钛的粒径为300～400nm。

进一步地，当光催化剂中二氧化钛为混合晶型时，锐钛矿与金红石的质量比为9～1：1。

上述光催化剂的的高温分解制备方法，包括如下步骤：

(1)依次将有机酸、有机钛酯、醇、含铈盐加入反应器中制成混合溶液，其中有机酸、醇与有机钛酯体积比为2～4：2～6：1，在酸性环境中可以减缓有机钛酯的水解，控制前驱体粉末的粒径；

(2)将步骤(1)所得混合溶液置于超声震荡机进行震荡，超声震荡2～4次，每次震荡10～30分钟，充分搅拌后加热蒸干，得到掺杂铈的纳米二氧化钛前驱体粉末；