CN102350332A - 一种金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法，包括：(1)将钛醇盐溶解在无水低级醇中制成钛醇盐的无水醇溶液；(2)将金红石二氧化钛纳米粉体加入上述钛醇盐的无水醇溶液中，经超声分散和搅拌，得到均匀的混合物；(3)将上述混合物放入预先盛有蒸馏水的密闭容器中，所述混合物与蒸馏水不直接接触，然后加热至70～200℃，保温1～96小时，再冷却到室温，最后将所得粉体洗涤、干燥，即得金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂。本发明的制备方法简单，原料低廉，对设备的要求低；本发明制备得到的复合光催化剂保留了二氧化钛纳米晶粒高催化活性的特点，在多数光催化反应中具有与气相法制备的纳米二氧化钛类似的光催化活性。

Description

一种金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法

技术领域

本发明属二氧化钛复合光催化剂的制备领域，特别涉及一种金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法。

背景技术

二氧化钛是目前公认最有效的一种光催化剂，因其化学稳定性好，氧化活性高，对人体无毒害，成本低，应用范围广而受到人们的广泛关注。二氧化钛光催化技术可不加选择的将污水或空气中的有机污染物直接矿化为二氧化碳、水和其它的无机小分子或离子，但如何进一步提高其光催化氧化的能力，一直是科研工作者研究的热点。影响二氧化钛光催化活性的因素有很多，如二氧化钛的晶型、晶粒尺寸、比表面积和表面羟基等等，其中最重要的影响因素就是晶型(Langmuir，1997，13，360；J.Phys.Chem.B，2000，104，4815)。用于光催化的二氧化钛晶型主要为锐钛矿和金红石两种。一直以来人们都认为锐钛矿相二氧化钛具有更高的光催化活性。但近年来，有学者表明金红石相二氧化钛由于具有较低的禁带宽度能够利用更广波长的光作为其激发光源，故相较锐钛矿相二氧化钛而言而显示了更高的光催化性能(Appl.Catal.，B，2000，26，207；J.Am.Ceram.Soc.，2003，86，1677)。但以上两种晶型单独作用的效果都略差于德固赛的P-25。P-25一直以来都被用作光催化反应的参考物质，其比表面积为49m²/g，但其光催化活性却相当高，虽然其拥有高氧化活性的机理尚不是很清楚，但人们都推测与其组成有关。P-25由80％的锐钛矿二氧化钛和20％的金红石二氧化钛所组成，锐钛矿和金红石两种不同禁带宽度二氧化钛的复合，在紫外光的激发下，电子从高禁带宽度的锐钛矿相二氧化钛转移至低禁带宽度的金红石相二氧化钛，增强了电子和空穴的分离效率，抑制了电荷复合而得到了如此的效果。

为了进一步探讨P-25高反应活性的机理和制备更高活性的二氧化钛光催化剂，近年来国内外进行了大量的研究工作。Ohno等人(Appl.Catal.，A，2003，244，383)采用物理方法将锐钛矿和金红石混合得到与P-25成份相似的物质，但其光催化效果并不好。Kawahara等人(Angew.Chem.Int.Ed.，2002，41，2811)将锐钛矿和金红先后涂覆于石英基板上，此种类型的异质结结构显示了较好的光催化活性。紧接着Liu等人(Langmuir，2007，23，10916)用层层自组装的方法将锐钛矿二氧化钛颗粒沉积在了金红石棒的表面亦显示了好的催化活性。核壳异质结结构是一种重要的功能材料，其成分多变，功能多样，不仅给新材料快速发展带来了，其性能并不是核壳两种材料功能的简单叠加，特殊核壳结构带来了材料性能的突破。

核/壳结构材料的常用制备方法有湿化学方法、化学气相沉积和层层自组装法。湿化学方法在制备过程中往往对前驱体和溶剂体系有独特的要求，由于金属醇盐的高反应活性和水作为溶剂和反应剂的双重作用，大部分反应水解，浓缩和团聚过程几乎同时发生，实验参数的微小调整就会影响重复性，难以具有普适性；而化学气相沉积制备得到的往往是单晶壳层，不适合用作对晶粒尺寸和比表面积有很强依赖性的物质。而层层自组装是目前制备核/壳结构材料最有效的方法。层层自组装制备核/壳结构材料是通过将核浸泡在聚电解质溶液中，核表面上修饰带正电或负电的聚电解质分子或离子，其便带上了正电或负电，再将带电荷的载体分散在胶体中，带有相反电荷的胶粒在静电吸引下沉积在载体上，于是获得一层与胶粒直径差不多厚的包覆层。其优点是厚度可控、包覆均匀、特别适合制备超薄包覆层的核壳结构材料，但为了得到均匀的包覆壳层，其使用的胶体和载体的浓度都非常低，如果制备一定数量的材料则需要大的设备，而为了制备具有一定厚度的壳层则需要不断的重复包覆的过程。而壳层的非晶本质和制备过程中引入的大量聚电解质往往影响材料的性能。

所以发展快速、有效、不含有机聚电解质、在未经煅烧条件下即可得到核/壳结构的金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法具有非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法，该方法简单，原料低廉，对设备的要求低，制得的复合光催化剂保留了二氧化钛纳米晶粒高催化活性的特点，在多数光催化反应中有着与气相法制备的纳米二氧化钛类似的光催化活性。

本发明所涉及的一种金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法，包括：

(1)将钛醇盐溶解在无水低级醇中制成钛醇盐的无水醇溶液，其中钛醇盐的浓度为0.005～0.150mL/mL；

(2)将金红石二氧化钛纳米粉体按照浓度为0.3～80.0mg/mL加入上述钛醇盐的无水醇溶液中，经超声分散和搅拌，得到均匀的混合物；

(3)将上述混合物放入预先盛有蒸馏水的密闭容器中，所述混合物与蒸馏水不直接接触，然后加热至70～200℃，保温1～96小时，再冷却到室温，最后将所得粉体洗涤、干燥，即得金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂。

步骤(1)中所述的钛醇盐为钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯、钛酸四丁酯中的一种或几种。

步骤(1)中所述的低级醇为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇中的一种或几种。

步骤(2)中所述的金红石二氧化钛纳米粉体的制备方法为：将0.3mol/L的TiCl₄水溶液在70℃下水解8h，沉淀经过滤、水洗、醇洗、烘干，即得。

步骤(3)中所述的蒸馏水与钛醇盐中钛元素的物质的量之比为10～4000。

步骤(3)中所述的金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂为核/壳结构，其中核为金红石二氧化钛微球，壳层为结晶良好的锐钛矿二氧化钛纳米晶，晶粒尺寸为5～20nm。

现对反应的有关工艺参数作一些具体限定：

(1)水的用量：水在密闭容器的底部，并不与钛醇盐溶液直接接触，加热时水开始蒸发，并最终使钛醇盐全部水解。在实际的反应中，水与钛的物质的量之比在10到4000之间。

(2)金红石二氧化钛的浓度：金红石二氧化钛在醇溶液中的浓度在0.3mg/mL～80.0mg/mL之间。

(3)钛醇盐的浓度：钛醇盐在低级醇中的浓度在0.005mL/mL～0.150mL/mL的范围内，通过改变钛醇盐浓度可改变锐钛矿二氧化钛包覆层的厚度。

锐钛矿二氧化钛包覆层的厚度是由所加入钛醇盐的量(0.010mL～1.000mL)所决定的，根据钛醇盐的量不同，可形成几纳米到数百纳米厚的锐钛矿二氧化钛层。

本发明主要提供了一种核/壳结构的金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法，对于不同粒径的金红石二氧化钛微球皆可以用这种方法制备成核/壳结构的金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂。

本发明提出了一种制备核/壳结构的金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法，利用金红石二氧化钛纳米粉体为载体，通过水蒸气来促进钛醇盐水解，在金红石二氧化钛的表面形成锐钛矿二氧化钛层。这种复合光催化剂具有核壳结构，核为金红石二氧化钛，壳层为结晶锐钛矿二氧化钛，用作光催化剂可提高光催化效率。

有益效果：

(1)本发明的制备方法简单，原料低廉，对设备的要求低；

(2)本发明制备得到的复合光催化剂保留了二氧化钛纳米晶粒高催化活性的特点，在多数光催化反应中具有与气相法制备的纳米二氧化钛类似的光催化活性。

附图说明

图1为所制备的金红石二氧化钛纳米粉体(a)，和实施例1中制备得到的金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂(b)，中空二氧化钛光催化剂(c)的透射电镜照片，(d)为图1(a)中选区的高分辨透射电镜照片。图中可以清楚的看到锐钛矿和金红石二氧化钛的晶格条纹，表明二氧化钛有很好的结晶度，金红石(110)面的晶格间距为0.32nm，锐钛矿(101)面的晶格间距为0.35nm，锐钛矿二氧化钛的晶粒大小约为10nm；

图2为所制备的金红石二氧化钛纳米粉体(a)，实例1制备的核/壳结构的金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂(b)拉曼光谱图，表明了金红石和锐钛矿二氧化钛共存于复合体系中；

图3为实施例2制备的核/壳结构的金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的X射线衍射图，表明得到了金红石和锐钛矿二氧化钛的混合相；

图4为所制备的金红石二氧化钛粉体(a)，和实例2所制备的核/壳结构的金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂(b)的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

将0.16mL钛酸丁酯加入到8mL无水乙醇中，搅拌2分钟，将0.1g热水解方法制备的金红石二氧化钛粉体加入低级醇中，超声分散和搅拌各3分钟。将含金红石二氧化钛的无水醇溶液倒入坩埚中，然后将坩埚置于可密闭的容器的上部。可密闭的容器底部预先放有3mL蒸馏水。将容器密闭后，放入烘箱中，开始加热到150℃，升温速率为10～20℃/分钟，温度达到设定的温度后保温10小时。保温结束后自然冷却到室温，打开密闭容器，取出坩埚，倒出粉末，用蒸馏水和无水酒精各洗涤3次，经60℃真空烘干8小时。

图1(a)给出了金红石二氧化钛颗粒的透射电镜照片，(b)金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的透射电镜照片，(c)图1(b)中所选区域的局部放大透射电镜照片，(d)图1(b)中所选区域的高分辨电镜照片。图中能看到金红石和锐钛矿二氧化钛的晶格条纹，表明二氧化钛有很好的结晶度，金红石(110)面的晶格间距为0.32nm，锐钛矿(101)面的晶格间距为0.35nm，锐钛矿二氧化钛的晶粒大小约为10nm。

实施例2

将0.16mL钛酸丁酯加入到8mL无水乙醇中，搅拌2分钟，将0.1g金红石二氧化钛粉体加入低级醇中，超声分散和搅拌各3分钟。将含金红石二氧化钛的无水醇溶液倒入坩埚中，然后将坩埚置于可密闭的容器的上部。可密闭的容器底部预先放有3mL蒸馏水。将容器密闭后，放入烘箱中，开始加热到100℃，升温速率为10～20℃/分钟，温度达到设定的温度后保温48小时。保温结束后自然冷却到室温，打开密闭容器，取出坩埚，倒出粉末，用蒸馏水和无水酒精各洗涤3次，经过60℃真空烘干8小时。图2给出了金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂在此合成条件下的X射线衍射结果，证明了金红石、锐钛矿二氧化钛的共同存在。

实施例3

将0.1mL钛酸丁酯加入到8mL无水乙醇中，搅拌2分钟，将0.1g热水解方法制备的金红石二氧化钛粉体加入低级醇中，超声分散和搅拌各5分钟。将含金红石二氧化钛的无水醇溶液倒入坩埚中，然后将坩埚置于可密闭的容器的上部。可密闭的容器底部预先放有20mL蒸馏水。将容器密闭后，放入烘箱中，开始加热到200℃，升温速率为20～30℃/分钟，温度达到设定的温度后保温5小时。保温结束后自然冷却到室温，打开密闭容器，取出坩埚，倒出粉末，用蒸馏水和无水酒精各洗涤3次，经过90℃真空烘干24小时。

实施例4

将0.04mL钛酸丁酯加入到8mL无水乙醇中，搅拌2分钟，将0.3g热水解方法制备的金红石二氧化钛粉体加入低级醇中，超声分散和搅拌各10分钟。将含金红石二氧化钛的无水醇溶液倒入坩埚中，然后将坩埚置于可密闭的容器的上部。可密闭的容器底部预先放有10mL蒸馏水。将容器密闭后，放入烘箱中，开始加热到200℃，升温速率为20～30℃/分钟，温度达到设定的温度后保温18小时。保温结束后自然冷却到室温，打开密闭容器，取出坩埚，倒出粉末，用蒸馏水和无水酒精各洗涤3次，经过90℃真空烘干48小时。

Claims (6)

1.一种金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法，包括：

(1)将钛醇盐溶解在无水低级醇中制成钛醇盐的无水醇溶液，其中钛醇盐的浓度为0.005～0.150mL/mL；

(2)将金红石二氧化钛纳米粉体按照浓度为0.3～80.0mg/mL加入上述钛醇盐的无水醇溶液中，经超声分散和搅拌，得到均匀的混合物；

(3)将上述混合物放入预先盛有蒸馏水的密闭容器中，所述混合物与蒸馏水不直接接触，然后加热至70～200℃，保温1～96小时，再冷却到室温，最后将所得粉体洗涤、干燥，即得金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂。

2.根据权利要求1所述的一种金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的钛醇盐为钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯、钛酸四丁酯中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的低级醇为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇中的一种或几种。

4.根据权利要求所述的一种金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的金红石二氧化钛纳米粉体的制备方法为：将0.3mol/L的TiCl₄水溶液在70℃下水解8h，沉淀经过滤、水洗、醇洗、烘干，即得。

5.根据权利要求1所述的一种金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的蒸馏水与钛醇盐中钛元素的物质的量之比为10～4000。

6.根据权利要求1所述的一种金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的金红石/锐钛矿二氧化钛复合光催化剂为核/壳结构，其中核为金红石二氧化钛微球，壳层锐钛矿二氧化钛纳米晶，晶粒尺寸为5～20nm。

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