[发明专利]铜和氮共掺杂修饰二氧化钛光催化剂的制备及降解甲苯的应用

说明书

本发明公开了一种铜和氮共掺杂修饰二氧化钛光催化剂的制备及降解甲苯的应用，按顺序混合将无水乙醇、硝酸铜、钛酸四丁酯和冰醋酸，搅匀，得A溶液；尿素溶于去离子水，得B溶液；B溶液滴入A溶液，搅拌均匀得到Cu‑N‑TiO₂溶胶，陈化后干燥，研磨，焙烧，制得铜和氮共掺杂修饰二氧化钛光催化剂。制得的光催化剂用于讲解甲苯。本发明制备方法利用简单的溶胶‑凝胶法将铜和氮成功的掺杂到二氧化钛中，拓展了二氧化钛的可见光吸光范围，增大了对太阳光的利用率。制得的光催化剂用于光催化降解甲苯的反应中，相比较于纯的氧化钛以及只掺杂Cu或者N，铜和氮共掺杂修饰二氧化钛具有较高的甲苯降解率，达到了38%。

技术领域

本发明属于纳米复合材料技术领域，涉及一种Cu和N共掺杂修饰TiO₂光催化剂的制备；该光催化剂主要用于甲苯的光催化降解反应中。

背景技术

挥发性有机物（VOC）是环境中主要气态污染来源之一，长期接触会对人体造成严重的危害。而甲苯是常见的挥发有机物之一，通常主要作为溶剂或稀释剂用于喷漆、橡胶、皮革、印刷、绝缘材料等行业中。如果人体长期处于一定浓度甲苯的环境里，会造成慢性中毒，导致脑病及肝肾损害，甚至有致癌作用。目前，主要通过光催化氧化、化学氧化、焚烧和生物过滤等破坏性方法以及吸附、吸收和膜过滤等非破坏性方法控制环境中的VOC。近年来，光催化技术因反应条件温和、二次污染小等特点，被广泛用于去除有机污染物。在紫外或可见光的照射下，光催化剂产生电子和空穴进一步转化为羟基自由基(•OH)、超氧阴离子(•O₂⁻)等活性基团。VOCs可以被这些活性基团氧化生成CO₂、H₂O和其他无机小分子。因此，光催化技术是解决有机污染问题的最具有发展潜力的的技术。

二氧化钛（TiO₂）是一种优异的半导体光催化材料。具有无毒、化学性质相对稳定、催化活性高、氧化能力强、价格低廉、能重复使用、可以将有机污染物降解为CO₂、H₂O等无毒氧化物等优点，是目前最具有开发前景的绿色环保型光催化剂。然而，TiO₂的禁带较宽（3.2eV）、吸收光谱范围较窄、仅响应紫外光；其次，TiO₂内部和表面的光生电子与空穴具有高的复合率，导致了TiO₂的光催化降解有机污染物性能较低。因此，降低光生电子与空穴的复合率和拓展在可见光区域的光响应范围，成为TiO₂光催化剂改性的主要方向。目前，TiO₂与元素的掺杂已被证明是有效的将光谱响应从紫外扩展到可见光响应范围的方法，有效降低光生电子与空穴的复合率。例如，N掺杂TiO₂可以拓宽到可见光响应范围，这是由于N2p和O2p轨道之间的相互作用，导致了TiO₂的价带位置向上移动。Ag掺杂TiO₂可以显著提高光生电子传输能力，降低了光生电子与空穴的复合率，提高了光催化剂的催化活性。

发明内容

本发明的目的是提供一种铜和氮共掺杂修饰二氧化钛光催化剂的制备方法，制得Cu-N-T iO₂纳米材料。

本发明的另一个目的是提供一种上述制备方法制得的纳米材料作为光催化在降解甲苯中的应用。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种铜和氮共掺杂修饰二氧化钛光催化剂的制备方法，具体按以下步骤进行：

1）按体积比1︰8～10︰2～3，分别取钛酸四丁酯、无水乙醇和冰醋酸，再按5mL钛酸四丁酯中加入0.06～0.08g硝酸铜的比例，取硝酸铜；再取尿素，所取尿素与所取硝酸铜的质量比为4～6︰1；

将无水乙醇、硝酸铜、钛酸四丁酯和冰醋酸按顺序混合，磁力搅拌30～50 min，得A溶液；

将所取尿素完全溶解于去离子水中，搅拌均匀，得B溶液；