[发明专利]一种氮、钒共掺杂二氧化钛/钽酸铋Z型异质结光催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明的一种氮、钒共掺杂二氧化钛/钽酸铋Z型异质结光催化剂的制备方法，包括以下步骤：将钛酸四丁酯缓慢滴入异丙醇溶液中，搅拌均匀，得到分散液A；将偏钒酸铵加入无水乙醇中，搅拌均匀，得到分散液B；将所述分散液B缓慢滴入分散液A中，搅拌均匀并经加热回流处理后自然冷却至室温，得到产物V‑TiO₂；将所述V‑TiO₂置于氨气氛围下高温煅烧，得到纳米块状N/V‑TiO₂光催化剂；将上述N/V‑TiO₂光催化剂分散于无水乙醇中，加入五水硝酸铋，待五水硝酸铋完全溶解后，加入五氯化钽至其完全溶解，再调节pH至9～11后经水热合成即得到Bi₃TaO₇/N/V‑TiO₂复合材料。本发明中通过N、V共掺杂TiO₂与Bi₃TaO₇耦合所产生的协同效应即提高了光生电子和空穴的寿命，又有效地提升了复合后催化剂的稳定性。

技术领域

本发明属于纳米材料合成技术领域，尤其涉及一种氮、钒共掺杂二氧化钛/钽酸铋Z型异质结光催化剂的制备方法和应用。

背景技术

二氧化钛(TiO2)由于其具有化学惰性、良好的生物兼容性、较强的氧化能力以及抗化学腐蚀的能力，且价格低廉，在能量转换、废水处理、环境净化、传感器、涂料、化妆品、催化剂、填充剂等诸多领域都引起了国内外学者的高度关注。尤其作为一种性能优良的N型半导体材料，可以充分利用太阳能，既节能又环保，是当前应用前景最为广阔的一种纳米功能材料。虽然二氧化钛是一种有潜质的光催化剂，但是宽带隙(锐钛矿约为3.2eV，金红石约为3.0eV)使得TiO2只能被占太阳光5％的波长较短的紫外线(λ﹤387nm)激发，同时，光激发产生的电子和空穴极易复合，导致吸收光的量子产率很低，这大大阻碍了二氧化钛这种光催化剂的应用。

为了解决这一问题，国内外科学家进行了大量的研究，目前应用的方法主要包括：与窄禁带半导体耦合、染料或者金属化合物表面敏化和贵金属沉积等等。其中金属/非金属离子掺杂作为其中较为简单且高效的方法而被广泛应用，但在研究的过程中发现金属元素的掺杂存在一些局限性，比如掺杂样品常常会具有热不稳定性，且容易成为载流子复合中心等，而这些问题又会限制掺杂改性的大规模应用。所以，近年来对于利用非金属元素对二氧化钛进行掺杂和改性的研究成为光催化领域研究的一个热点。到目前为止，非金属离子掺杂主要集中在氮、碳、硫、硼以及卤族元素等。

非金属元素掺杂的主要原理是指用非金属元素来取代纳米TiO₂中的O^2-或者是将非金属元素填充到TiO2晶格间隙中来改变TiO2的化学组成及结构，进而改变其光学性质，目前常用的制备方法主要包括：溶液燃烧法、水热法、溶胶-微波水热法结合超声技术等等，其中溶液燃烧法制备的C，N掺杂的纳米二氧化钛主要为锐钛矿型，晶粒尺寸在9～15nm，粒径分布在30～180nm，但该方法工艺时间较长，且制作成本高，形成的材料易团聚，利用效率低，不利于在实际应用中推广使用；通过溶胶-微波水热法结合超声技术制备的N掺杂TiO2微球在水热反应前后没有破坏微球的形貌，但表面出现了明显的纳米晶组装现象，且随着氨水的加入量的增加，部分样品表面出现了纳米晶粒的紧密堆积和团聚现象，严重影响了光催化效率。

除此之外，新型Z型光催化剂能够有效地提升电子空穴的分离与转移，是进一步提升其光催化性能活性的有效途径。通过钽酸铋(Bi₃TaO₇)纳米点负载于氮(N)、钒(V)共掺杂TiO₂纳米块以构建Z型异质结光催化体系能够有效地弥补单体物质存在的缺陷并解决上述的问题。因此，本发明提供了一种氮、钒共掺杂二氧化钛/钽酸铋异质结光催化剂的制备方法，旨在于利用Bi₃TaO₇与N/V-TiO₂两者的复合所产生的协同效应来加强复合材料稳定性及促进光生电子和空穴的快速分离，从而抑制光生载流子的复合，提升其光催化活性。

发明内容