高效铁氟双助剂共修饰二氧化钛光催化材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及铁氟双助剂共修饰二氧化钛光催化材料的制备方法，包括以下步骤：将TiO2粉末均匀分散到硝酸铁溶液中，在搅拌下于恒温水浴中反应，所得沉淀物经过滤、洗涤和干燥，得到铁修饰二氧化钛光催化剂；均匀分散到氟化氨溶液中，在搅拌下于恒温水浴反应，所得沉淀物经过滤、洗涤和干燥，即得到高效铁氟双助剂共修饰二氧化钛光催化材料。本发明专利技术的有益效果在于：本发明专利技术提出通过简单、易于操作的离子浸渍法分别在TiO2粒子表面均匀修饰Fe(III)和F-，所制备的催化剂由于光生电子与空穴的有效分离而表现出对有机污染物高效的降解性能；该合成方法操作十分简单，无需加入各种有机表面活性剂、添加剂等。

【技术实现步骤摘要】
高效铁氟双助剂共修饰二氧化钛光催化材料的制备方法
本专利技术涉及二氧化钛粒子的表面改性和铁氟双助剂共修饰二氧化钛光催化剂及其制备技术。技术背景近年来，全球正面临着能源短缺、环境恶化和气候变暖等问题的严峻挑战。光催化具有光分解水制氢、光降解有机污染物和光还原二氧化碳等功能，因此在解决能源问题、环境问题和温室气体处理方面有重要的应用前景。TiO2以其具有的稳定性、无毒性和廉价性等优点，曾一度被认为是最有前途的光催化材料。然而，由于量子产率低，光生电子和空穴容易复合，大大限制了其在实际中的应用。许多研究工作者通过阴阳离子掺杂、贵金属沉积、半导体耦合、量子点敏化等方法来对TiO2进行改性研究，以增强其光催化活性。在上述方法中，发展高效、廉价的助催化材料并对TiO2进行表面修饰被认为是在实际应用中最具应用潜力的方法之一。根据助催化材料的不同功能，助催化剂可分为电子转移助剂和空穴转移助剂。例如，最近的研究结果表明：廉价的过渡金属离子如Fe(III)和Cu(II)等可作为光催化剂的电子转移助剂，可有效提高TiO2光催化材料中光生电子的转移速率，从而提高光催化性能。另一方面，一些廉价的阴离子如F离子、磷酸根离子等能作为光催化剂的空穴转移助剂，可有效地提高TiO2光催化材料中光生空穴的转移速率，从而提高光催化性能。众所周知，光催化过程中的总反应效率(或光催化材料的性能)是由氧化和还原两个半反应速率共同决定的，而当前对TiO2光催化材料进行单助剂修饰只能单方面加快空穴转移或电子转移速率，所以也只能有限地提高TiO2光催化材料的光催化性能。因此，如何把廉价的电子助剂和空穴助剂通过一种简单的方式同时修饰于TiO2光催化材料表面，从而进一步提高TiO2光催化材料的光催化性能，对于发展高效光催化材料具有重要意义。但据我们所知，目前还没有关于利用廉价的过渡金属元素Fe(III)和F-作为双助催化剂同时对TiO2光催化材料进行表面修饰，以提高TiO2类光催化剂的光稳定性和光催化活性的报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术，提出一种简单有效的高效铁氟双助剂共修饰二氧化钛光催化材料的制备方法，通过Fe(III)和F-离子的表面改性，所制备的铁氟双助剂共修饰二氧化钛光催化材料具有更高的光稳定性和光催化活性。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是：高效铁氟双助剂共修饰二氧化钛光催化材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)将硝酸铁溶于去离子水中形成均匀溶液，其中硝酸铁浓度为0.0001-0.05mol/L，硝酸铁溶液的pH值为0.5-6；2)将0.5gTiO2粉末均匀分散到步骤1)配置的5mL硝酸铁溶液中，在搅拌下于恒温水浴中反应，所得沉淀物经过滤、洗涤和干燥，得到铁修饰二氧化钛光催化剂；3)将氟化氨溶于去离子水中形成均匀溶液，其中氟化氨浓度为0.0005-0.1mol/L，氟化氨溶液的pH值为0.5-6；4)将步骤2)得到的0.5g铁修饰二氧化钛光催化剂粉末均匀分散到步骤3)配置的5mL氟化氨溶液中，在搅拌下于恒温水浴反应，所得沉淀物经过滤、洗涤和干燥，即得到高效铁氟双助剂共修饰二氧化钛光催化材料。按上述方案，步骤1)所述的硝酸铁浓度为0.001-0.01mol/L，所述的硝酸铁溶液的pH值为2-4。按上述方案，步骤3)所述的氟化氨浓度为0.001-0.05mol/L，所述的氟化氨溶液的pH为2-4。按上述方案，步骤2)和步骤4)恒温水浴温度为30-100℃，反应时间0.5-6h。按上述方案，步骤2)和步骤4)恒温水浴温度为30-80℃，反应时间2-3h。本专利技术提出通过离子浸渍法首先在TiO2粒子表面均匀修饰Fe(III)，然后再利用F-修饰Fe(III)/TiO2，从而制备高效稳定的Fe(III)/F-TiO2光催化剂。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出通过简单、易于操作的离子浸渍法分别在TiO2粒子表面均匀修饰Fe(III)和F-，所制备的Fe(III)和F-双助剂共修饰TiO2光催化剂由于光生电子与空穴的有效分离而表现出对有机污染物高效的降解性能；该合成方法操作十分简单，无需加入各种有机表面活性剂、添加剂等；同时整个反应过程仅需烧杯等普通的玻璃仪器，设备要求低，无需昂贵的各种加工合成设备和高温高压等反应装置，具有易于大批量合成等优点；制备的光催化材料具有高的可见光光催化性能，有望产生良好的社会和经济效益。附图说明图1为各种光催化剂的光催化机理图：(a)TiO2、(b)F-TiO2、(c)Fe(III)/TiO2和(d)Fe(III)/F-TiO2；图2为实施例1中(a)TiO2、(b)F-TiO2、(c)Fe(III)/TiO2和(d)Fe(III)/F-TiO2光催化剂的FESEM图；图3为实施例1中(a)TiO2、(b)F-TiO2、(c)Fe(III)/TiO2和(d)Fe(III)/F-TiO2光催化剂的XRD图谱；图4为实施例1中(a)TiO2、(b)F-TiO2、(c)Fe(III)/TiO2和(d)Fe(III)/F-TiO2光催化剂的XPS图谱；图5为实施例1中(a)TiO2、(b)F-TiO2、(c)Fe(III)/TiO2和(d)Fe(III)/F-TiO2光催化剂的UV-vis图谱；图6为实施例1中(a)TiO2、(b)F-TiO2、(c)Fe(III)/TiO2和(d)Fe(III)/F-TiO2光催化剂对甲基橙的降解速率常数k；图7为实施例1中Fe(III)/F-TiO2光催化剂对苯酚多次降解的速率常数k。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步详细的说明，但是此说明不会构成对本专利技术的限制。实施例1：Fe(III)/F-TiO2光催化剂的制备过程如下：1)将硝酸铁溶于去离子水中形成均匀溶液，其中硝酸铁浓度为0.01mol/L，硝酸铁溶液的pH值为2；2)将0.5gTiO2粉末均匀分散到步骤1)配置的5mL硝酸铁溶液中，于60℃恒温水浴下搅拌反应2h，所得沉淀物经过滤、洗涤和干燥，得到铁修饰二氧化钛光催化剂；3)将氟化氨溶于去离子水中形成均匀溶液，其中氟化氨浓度为0.0125mol/L，氟化氨溶液的pH值为2；4)将步骤2)得到的0.5g铁修饰二氧化钛光催化剂粉末均匀分散到步骤3)配置的5mL氟化氨溶液中，于60℃恒温水浴下搅拌反应2h，所得沉淀物经过滤、洗涤和干燥，即得到高效铁氟双助剂共修饰二氧化钛光催化材料。通过Fe(III)和F-离子表面改性来增强TiO2光催化剂光催化活性的基本原理(见图1)是：(1)当TiO2吸收光子后，在TiO2颗粒内部产生光生电子和光生空穴，光生电子迁移到颗粒表面与吸附在TiO2表面的O2发生还原反应，而光生空穴迁移到颗粒表面与吸附在TiO2表面的H2O发生氧化反应，如图1a所示；(2)当TiO2表面经F-改性后，F-离子作为空穴助剂，加快光生空穴的转移，产生更多的羟基自由基，提高TiO2的光催化性能，如图1b所示；(3)当TiO2表面经Fe(III)改性后，光生电子首先迁移到颗粒表面与Fe(III)结合形成Fe(II)，Fe(II)上的电子再与空气中的氧气反应，使Fe(II)恢复到Fe(III)，正是因为光生电子优先转移到Fe(III)上本文档来自技高网...

【技术保护点】
高效铁氟双助剂共修饰二氧化钛光催化材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)将硝酸铁溶于去离子水中形成均匀溶液，其中硝酸铁浓度为0.0001‑0.05mol/L，硝酸铁溶液的pH值为0.5‑6；2)将0.5g TiO2粉末均匀分散到步骤1)配置的5mL硝酸铁溶液中，在搅拌下于恒温水浴中反应，所得沉淀物经过滤、洗涤和干燥，得到铁修饰二氧化钛光催化剂；3)将氟化氨溶于去离子水中形成均匀溶液，其中氟化氨浓度为0.0005‑0.1mol/L，氟化氨溶液的pH值为0.5‑6；4)将步骤2)得到的0.5g铁修饰二氧化钛光催化剂粉末均匀分散到步骤3)配置的5mL氟化氨溶液中，在搅拌下于恒温水浴反应，所得沉淀物经过滤、洗涤和干燥，即得到高效铁氟双助剂共修饰二氧化钛光催化材料。

【技术特征摘要】
1.高效铁氟双助剂共修饰二氧化钛光催化材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)将硝酸铁溶于去离子水中形成均匀溶液，其中硝酸铁浓度为0.001-0.01mol/L，所述的硝酸铁溶液的pH值为2-4；2)将0.5gTiO2粉末均匀分散到步骤1)配置的5mL硝酸铁溶液中，在搅拌下于恒温水浴中反应，恒温水浴温度为30-100℃，反应时间0.5-6h，所得沉淀物经过滤、洗涤和干燥，得到铁修饰二氧化钛光催化剂；3)将氟化氨溶于去离子水中形成均匀溶液，其中氟化氨浓度为0.0005-0.1mol/L，氟化氨溶液的pH值为0.5-6；4)将步骤2)得到的0...

【专利技术属性】
技术研发人员：余火根，王雪飞，余锐，陈峰，余家国，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42