[发明专利]一种磷掺杂二氧化钛及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及光催化领域，提供了一种磷掺杂二氧化钛及其制备方法。该磷掺杂二氧化钛制备方法包括以下步骤：S1：采用溶胶凝胶法在黑磷纳米片上沉积二氧化钛，得到黑磷/二氧化钛复合材料。S2：在S1制备的黑磷/二氧化钛复合材料上沉积二氧化硅，得到黑磷/二氧化钛/二氧化硅复合材料。S3：对S2得到的黑磷/二氧化钛/二氧化硅复合材料进行煅烧及刻蚀。本发明提供的方法制备的磷掺杂二氧化钛通过制备出比表面积大、颗粒尺寸均匀度高、结晶度可调和晶相可控等特性的二氧化钛纳米材料，进一步提升了二氧化钛的光催化性能。

技术领域

本发明属于光催化领域，具体涉及一种磷掺杂二氧化钛及其制备方法和应用。

背景技术

自1972年首次发现二氧化钛光催化分解水以来，光催化技术由于利用取之不尽、用之不竭的绿色太阳能来解决能源短缺和环境污染的危机，受到了广泛的关注^1-3。二氧化钛具有化学稳定性好、氧化还原能力强、成本低、无毒等优点，已被广泛地应用于光催化放氢和放氧、二氧化碳还原、有害物质分解、固氮和有机合成等领域^4-9。但二氧化钛固有的宽光学带隙和光激发载流子的快速复合大大限制了其光催化效率。

为了解决以上两个短板，最近的研究集中在通过掺杂金属(Ce、Ni、Ag、Pt、Fe等)，非金属(C、N、S、Si)来部分取代Ti⁴⁺和O^2-，从而改善其性能^10-23。金属掺杂的作用是促进光生载流子电荷分离，降低其复合速度。非金属掺杂的作用是将二氧化钛的吸收区域从紫外区移动到可见光区，同时缩小二氧化钛的带隙。2020年，Chiara Alberoni等人通过掺杂CeO₂来调节纳米二氧化钛的电子性质，制备了纳米管(CeTNTx)和纳米粒子(CeTNPx)光催化剂¹⁰。结果表明，Ce的加入导致了能隙的减小，从而提高了可见光的吸收率，当CeO₂掺杂量为0.25wt％时，纳米管和纳米颗粒的亚甲基蓝(MB)降解率最高(分别为0.123min^-1和0.146min^-1)，120分钟实现完全降解。2012年，S.Krejcíkováa等人以非离子表面活性剂Triton X-114、环己烷、AgNO₃水溶液和金属前驱体为原料，采用溶胶-凝胶法制备了掺银的TiO₂光催化剂¹⁶。与纯二氧化钛催化剂相比，掺银二氧化钛催化剂的吸收光谱向可见光区移动，对于CO₂的光催化还原，具有优异的光催化活性。2021年，Maria Sadia等人以异丙醇钛为前驱体，合成了镍掺杂和非掺杂二氧化钛光催化剂¹⁸。研究表明，镍掺杂二氧化钛催化剂由于降低了光生电子-空穴复合速率，在中性红和亚甲基蓝催化降解效率更高。2018年，Wenyi Huang等人采用低温非水溶剂热法制备了高浓度掺N锐钛矿型二氧化钛光催化剂¹⁴。研究表明，在合成过程中，N原子渗入到二氧化钛晶格中，在二氧化钛的禁带内形成了杂质能级，增强了对可见光的吸收，在亚甲基蓝的光催化降解中具有优异的性能。2012年，Jian-Wen Shi等人以碳球为模板，采用简便的方法合成了C掺杂二氧化钛空心球(THS)¹⁹。研究表明C掺杂使二氧化钛的禁带宽度变窄，并产生亚带隙吸收，这导致了THS对可见光的光响应，对亚甲基蓝的分解表现出比商业P25更高的光催化活性。2017年，Zhenyu Huang等人以二氧化硫脲为硫源和还原剂合成了S-TiO_2-x光催化剂¹⁵。研究表明，S掺杂导致TiO_2-x的吸收边红移，Ti³⁺的引入在导带的底部形成局域态，使得S-TiO_2-x可吸收可见光。此外，Ti³⁺作为电子捕获剂，提高了光催化剂的电导率，加速了电子和空穴的传递。与纯TiO₂光催化剂相比，S-TiO_2-x光催化剂在可见光照射下对罗丹明B的降解表现出优异的光催化活性。2018年，Zhenbiao Dong等人在Ar气氛下，将Ti-Si-O纳米管在钛硅合金上进行锌还原，制得黑色的掺硅纳米管，并用作光电化学(PEC)水分解的光阳极¹²。结果表明，由于在纳米管中引入了Si元素和Ti³⁺/O空位，提高了光吸收，促进了光生电子-空穴对的分离。光转化效率可达1.22％，是未掺杂TiO₂光转化效率的7.18倍。