[发明专利]氮掺杂的TiO2

说明书

本发明涉及一种在用UV光、可见光和阳光照射下有活性的光催化剂，该光催化剂包含氮掺杂的TiO₂的粉末或氮掺杂的TiO₂的即用型纳米悬浮液，其中还存在板钛矿结晶相，并且其掺杂氮含量(％按重量计)足以确保在可见区中的光催化活性。光催化剂可以容易地应用于不同性质的基底。

发明领域

本发明属于用于水或空气净化应用的污染剂的光催化降解的领域。特别地，本发明涉及一种产品(以及用于制备其的工艺)，其包含呈粉末或在溶剂中的纳米颗粒的悬浮液形式的氮掺杂的TiO₂。所述产品不仅在经历UV光照射时而且还在用可见光或阳光照射的情况下都适合于被用作活性光催化剂。

发明背景

从科学技术的角度来看以及关于大多数工业化国家的资源的投资方面，在化学物质的光分解的过程中使用光能(诸如例如，减少液相或气相中的污染物，通过水分解产生氢气等)是目前最感兴趣的研究领域之一。在该领域，通过基于二氧化钛(TiO₂)的光催化剂来发挥主要作用，因为使用TiO₂具有许多优点，包括其低成本、高可用性、无毒性、化学和热稳定性以及高氧化能力。然而，使用基于二氧化钛的光催化剂的最大缺点是，由于TiO₂的相对大的带隙能量(Eg＝3.0-3.2eV)，TiO₂仅吸收具有小于约387nm的波长的光，因此基于二氧化钛的光催化剂仅在被具有在紫外区区间(λ＝350-400nm)内的波长的合适的光源照射时是有活性的。阳光是我们可获得的最丰富、易接近和可再生的光子源。约50％的太阳辐射在红外区(NIR，近可见光区)中发射，而其余部分在可见区中发射，并且仅5％在紫外区中发射。由于该原因，许多努力已经致力于提高二氧化钛对可见区的光催化性能，并且开发在用可见辐射的激发下有活性的光催化剂，这些光催化剂来自太阳光谱和用于室内照明的普通灯两者，从而克服了与使用UV灯有关的高成本和可获得性问题。

因此，为了解决可见辐射的不吸收的问题，已经采取了多种策略；这些策略包括通过引入氧缺陷或掺杂有过渡金属(诸如Cu、Ni、Co、Mn、Fe、Cr、Mo、V和W)、贵金属(诸如Au、Ag和Pt)、稀土元素和最近的仅非金属(例如C、N、P、S、F等)来改性TiO₂。特别地，掺杂氮是用于提高可见区中TiO₂活性的最有效的方法之一。

从由Sato在1986年文章(S.Sato,Chem.Phys.Lett.123(1986)126-128)中报道的在可见区中具有光催化敏化的氮掺杂的TiO₂的第一个实例之一开始，已经出现了许多关于这种材料的制备方法和特性的研究。

在现有技术中已知的制备TiO₂-N的多种“湿化学”方法中，可以确定其中通过向含有TiO₂前体的悬浮液中加入氮源，掺杂与二氧化钛的合成同时发生的工艺，如在例如Livraghi(S.Livraghi等人,Journal of Solid State Chemistry 182(2009)160-164)的文章中，或者从已经形成的TiO₂的胶体溶液开始的工艺，在第二步骤中向TiO₂的胶体溶液中加入氮源(CN 1736584)。在这种情况下，最终产品以纳米TiO₂-N粉末(锐钛矿)的形式获得，经历干燥过程并且随后在300℃-650℃煅烧持续0.5h-6h。

此外，在文献中已知，通常，TiO₂的光催化活性可能受到其他因素诸如晶体结构、粒度、表面形态和孔隙率的影响。

在这些因素中，晶体结构是最影响光催化性能的因素。

二氧化钛是一种呈现出多晶型的材料，即它以多于一种晶体结构存在。存在TiO₂的四种通常已知的结晶相：锐钛矿(四方晶)、金红石(四方晶)、板钛矿(正交晶)和TiO₂(B)(单斜相)。