一种含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术属于可见光催化剂技术领域，具体涉及一种含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂及其制备方法。该催化剂是二氧化钛溶胶经干燥、研磨、加热、煅烧得到。本发明专利技术的催化剂具备显著的可见光催化作用，孔径分布相对集中，制备时原料价廉易得，生产成本较低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于可见光催化剂
，具体涉及。
技术介绍
环境与能源问题已成为当前和未来人类面临的最具挑战性的问题。随着石化等一次能源的日益缺乏和由其带来的如环境污染、气候变暖等诸多问题，新能源的开发与利用以及环境的治理已经受到越来越多的重视。光催化是近几十年发展起来的一项新技术，在分解水制氢、二氧化碳的固定和有机物的矿化等方面具有很好的应用前景。目前，已经有较成熟的技术和产品用于室内空气净化、陶瓷抗菌、玻璃自清洁等。然而，众所周知，到达地球表面的太阳光中紫外光所占比重不足4%，因此，基于实际应用的需要，对光催化剂提出了更高的要求，即能够充分利用可见光激发光催化剂并高效地将电子和空穴从导带和价带转移至反应活性位参与氧化还原反应，以用于制备氢气、转化二氧化碳和消除有机污染物等。TiO2是众多光催化剂中最受瞩目的材料之一，不仅是基础研究中关注的焦点，而且也是实际产品中主要采用的光催化剂，它具有高的光催化效率、结构稳定、价格低廉、无毒等特点，因此受到国内外科学家们的广泛和深入地研究。然而TiO2是一种具有较宽带隙(带隙能为3.0-3.2 eV)的半导体材料，不能直接被可见光激发，通常采用染料敏化、过渡金属掺杂和非金属元素掺杂等方法使其适用于可见光区域。染料敏化除成本较高外，在光、热作用下染料容易发生分解，长期稳定性较低；过渡金属掺杂的TiO2不仅热稳定性较低，而且掺杂原子向TiO2晶格的扩散会产生电子-空穴复合中心，降低光催化反应效率；而在TiO2中掺杂非金属元素(如掺B、F、N、C、S和I)使可见光催化效率得以显著提高。除了元素掺杂以外，在TiO2晶格中弓丨入束缚单电子的氧空位也是一种使TiO2具有可见光响应的方法。文献报道的含束缚单电子氧空位的TiO2可见光催化剂的制备方法主要有两类:(I)射频等离子处理TiO2 ；(2)在TiO2晶格中掺入N元素，包括:高温煅烧TiCl4的氨水溶液水解产物，用氨气热处理P25 TiO2和纳米管钛酸等。但是以上两类方法有其不足之处。采用射频等离子处理需要昂贵的精密设备，产量低，不易于大规模生产。用氨气热处理二氧化钛虽然可以实现规模化生产，但工艺要求比较高，需要防止氨气泄漏带来的污染和毒害，而且氨气利用率很低，成本较高。高温煅烧TiCl4的氨水溶液水解产物所得的TiO2不仅含有含束缚单电子氧空位，而且含有Ti3+离子，后者会成为光生电荷的复合中心，降低光催化剂的催化效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂的制备方法，同时提供一种该方法制得的二氧化钛/碳复合可见光催化剂。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案: 一种含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂的制备方法，其步骤如下: (1)二氧化钛溶胶在室温条件下保持I一 4h，再在80 - 100°C下干燥8 — 72h，经研磨得到二氧化钛凝胶粉末； (2)将二氧化钛凝胶粉末在惰性气体保护下加热到300- 800°C并保持I 一 4h ; (3)然后在300- 800°C下空气中煅烧，煅烧时间为I 一 4h，冷却至室温，经研磨即得到含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂。所述惰性气体为氮气、氩气或氪气等。所述二氧化钛溶胶由钛源化合物经过水解法制得。水解法的步骤如下:搅拌下将30mL钛源化合物滴加到120mL无水乙醇中，再加IOmL醋酸，30min后加入2.5mL去离子水和IOmL三乙胺，搅拌4h，得到淡黄色二氧化钛溶胶。所述钛源化合物为钛的醇盐，钛的醇盐例如钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯、钛酸四乙酷等。按照以上方法制得的含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂。含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂在催化降解有机染料方面的应用。本专利技术制备含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂的方法具有以下优点: 1)该复合可见光催化剂有束缚单电子的氧空位，使其具备了可见光催化作用； 2)本专利技术方法制得的含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂孔径分布相对集中，呈现小的介孔分布； 3)原料价廉易得，生产成本较低，原料无毒，保障环境和工作人员的安全； 4)制备过程中所需的温度不高，工序简单，对设备要求不高，操作容易，易进行规模化生产。本专利技术制得的二氧化钛/碳复合可见光催化剂对甲基橙、亚甲基兰等有机染料具有显著的可见光催化降解作用。【附图说明】 图1是本专利技术的含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂的XRD图谱，从图中可以看出，所述衍射峰均归属于锐钛矿TiO2的晶体结构(JCPDS卡片号:73-1764);因为碳的含量较低，没有发现归属碳的衍射峰； 图2是本专利技术的含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光光催化剂的TEM照片，从图中可以看出，TiO2纳米颗粒的粒径小于20 nm，聚集的颗粒之间存在众多小孔； 图3是本专利技术的含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光光催化剂(3b )和P25TiO2 (3a)的N2吸附脱附等温线，孔径分布曲线和BET比表面积；P25 TiO2在3 — 55nm的范围内呈现介孔一大孔分布，而本专利技术含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光光催化剂的孔径分布相对集中，呈现小的介孔分布(〈2.2 nm)，此外，含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光光催化剂的BET比表面积(81.0m2/g)高于P25 TiO2的(54.4m2/g); 图4是本专利技术的含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂和P25 TiO2的ESR图谱，在g = 2.001处的对称峰归属于束缚单电子的氧空位； 图5是本专利技术的含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂的XPS图谱，图5a是Cls谱，中心处于288.9eV的峰表明碳物质的存在，图5b是Ti2p谱，中心位于457.6eV和464.4eV的峰归属于Ti4+，表明该材料主要成分为TiO2 ； 图6是本专利技术的含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂的热分析图，从热重(TG)图和微商热分(DTG)图上可以看出在600°C附近有明显的失重，归因于材料中所含碳物质在空气中的氧化损失；由TG图上失重量可计算得碳的质量含量约为1.5% ； 图7是本专利技术的含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂和P25 TiO2的紫外一可见吸收光谱，由图可以看出，与P25 二氧化钛相比，本专利技术产品对波长大于400nm的可见光有明显的吸收，且吸收边明显红移，这归因于束缚单电子氧空位与碳的协同作用； 图8是本专利技术的含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂和P25 TiO2对甲基橙的降解率与可见光照射时间的关系图，由图可以看出本专利技术产品对甲基橙有显著的光催化降解作用。【具体实施方式】 以下以具体实施例来说明本专利技术的技术方案，但本专利技术的保护范围不限于此: 实施例1: (1)以钛酸四丁酯为钛源化合物，采用水解法制备二氧化钛溶胶，具体过程为:搅拌下将30mL钛酸四丁酯滴加到120mL无水乙醇中，再加IOmL醋酸，30min后加入2.5mL去离子水和IOmL三乙胺，搅拌4h，得到淡黄色二氧化钛溶胶； (2)然后将二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：（1）二氧化钛溶胶在室温条件下保持1－4h，再在80－100℃下干燥8－72h，经研磨得到二氧化钛凝胶粉末；（2）将二氧化钛凝胶粉末在惰性气体保护下加热到300－800℃并保持1－4h；（3）然后在300－800℃下空气中煅烧，煅烧时间为1－4h，冷却至室温，经研磨即得到含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种含束缚单电子氧空位的二氧化钛/碳复合可见光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下: (1)二氧化钛溶胶在室温条件下保持I一 4h，再在80 - 100°C下干燥8 — 72h，经研磨得到二氧化钛凝胶粉末；(2)将二氧化钛凝胶粉末在惰性气体保护下加热到300- 800°C并保持I 一 4h ; (3)然后在300- 800°C下空气中煅烧，煅烧时间为I 一 4h，冷却至...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓冬，潘卉，李秋叶，杨建军，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：