[发明专利]一种在氧气或空气气氛中制备黑色二氧化钛块体的方法

说明书

本发明涉及一种在氧气或空气气氛中制备黑色二氧化钛块体的方法，所述黑色二氧化钛块体中含有Ti³⁺，在钛元素中Ti³⁺含量≥1%，优选20～30%。

技术领域

本发明公开了一种在氧气或空气气氛中制备黑色二氧化钛的方法，特别涉及一种开放式气悬浮激光加热技术制备黑色二氧化钛块体的方法，属于无机材料制备技术领域。

背景技术

二氧化钛作为一种光催化剂具有化学性质稳定性好、成本低、催化活性高、无毒等优势，在环境、能源领域广泛研究和应用。但由于二氧化钛的禁带宽度大(锐钛矿相为3.2ev，金红石相为3.0ev)，仅能吸收占太阳光总能量不到5％的紫外光，光响应范围窄，而太阳光谱中以可见光(44％)和红外光(49％)为主，其对太阳光的吸收利用率极低。因此拓宽二氧化钛的能带结构，提高在可见光及红外光区的吸收，对二氧化钛的催化性能的提高有十分重要的意义。

为了提高二氧化钛对太阳光的利用，目前对二氧化钛改性的方法包括非金属元素掺杂、过渡或稀土金属离子掺杂、贵金属沉积、半导体复合、染料敏化等。以上方法虽然在一定程度上拓展二氧化钛的光谱响应，但存在拓展范围有限，光吸收提高不足的缺点。2011年，陈晓波等人首次通过在200℃H₂压力为20.0bar的条件下对白色TiO₂氢化处理5天后得到了黑色二氧化钛，其特点在于光吸收范围延伸到红外光区域，显著地改变了二氧化钛的结构、化学、电子以及光学性质，从此黑色二氧化钛在光催化领域引起了极大的关注。目前制备黑色二氧化钛的方法为：氢气热处理法、高温高压或常压氢化法、阳极氧化法、等离子辅助加氢法及化学还原法包括铝还原法、锌还原法、镁还原法、NaBH₄还原法、NaH还原法等。黄富强课题组采用双温区还原法制备黑色二氧化钛，将白色二氧化钛与金属铝放入密闭管式炉中抽真空至0.1Pa，再分别加热至300-500℃和800℃。反应8h后得到表面有非晶层的黑色二氧化钛。阳极氧化法有报道是二氧化钛在含有NH₄F(0.25wt％)和H₂O(2vol％)的乙二醇中，在60V下进行阳极氧化10小时。在剥离纳米管之后进行第二次阳极氧化。在环境气氛中在450℃下烧结1小时并除去阳极TiO₂层后，得到具有大的可见光吸收的黑色二氧化钛。汪宙等运用离子辅助加氢法将二氧化钛放入密闭管式炉中，在氢气压强100Pa、等离子体射频功率200W、500℃加热8h制备得到黑色二氧化钛。

综上所述，已有的制备黑色二氧化钛方法多是需要高温高压，并且在还原气氛中实现。在具体的操作过程中对设备要求比较高，制备过程周期较长，此外为了得到还原气氛添加金属铝、氢气等辅助剂，需要后续的加工提纯，以及存在易燃易爆等不安全因素。基于以上事实，需要探索和发展一种简便、直接、相对安全的方法制备黑色二氧化钛。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种在氧气或空气气氛常压下激光加热制备黑色二氧化钛块体的方法。该方法操作简单，在常压，氧气或者空气中直接合成黑色二氧化钛。所得二氧化钛拓宽了光响应范围，大幅提高了对可见光及红外光的吸收。

一方面，本发明提供了一种的黑色二氧化钛块体，所述黑色二氧化钛块体中含有Ti³⁺，在钛元素中Ti³⁺含量≥1％，优选20～30％(其中，含量的含义为“Ti³⁺与钛元素总量的原子比”)。

本公开中，黑色二氧化钛块体中含有Ti³⁺(≥1％)和氧空位(≥1％)，引起禁带宽度的变小，对可见光及近红外光的吸收增强，在近红外光区的光热效果明显，潜在应用于光热治疗。

较佳地，所述黑色二氧化钛块体为黑色二氧化钛球，直径为2～4mm。

较佳地，所述黑色二氧化钛块体的禁带宽度为2.61eV。