CN102631923B - 表面负载氧化铁的可见光响应型球形二氧化钛复合光催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种表面负载氧化铁的可见光响应型球形二氧化钛复合光催化剂的制备方法。TiO2作为光催化材料具备不可比拟的性能优势，但TiO2带隙较小，对光的吸收仅限于紫外区；空穴与电子的重新复合影响半导体的光催化效率。本发明将盐溶液、钛酸四丁酯、无水乙醇混合搅拌形成二氧化钛溶胶，静置、离心、洗涤、真空干燥制得球形二氧化钛颗粒；再将二氧化钛微球分散到铁盐溶液中，磁力搅拌、超声分散、真空干燥、焙烧得到产品。本发明制备的光催化剂具有高效的光催化活性，能高效光催化降解有毒有害物质，对有机污染物可完全降解为水和二氧化碳，可应用于多种有机物的光催化降解反应中，降解率均接近100%，具有极大的工业应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种光催化剂的制备方法，具体涉及表面负载氧化铁的可见光响应型球形二氧化钛复合光催化剂的制备方法。
背景技术
生产生活中排放的污染物中包括大量具有三致作用的持久性污染物，这些有毒有机化合物在常规水处理中具有难降解的特性，对其消除是环境工作者关注的难点。TiO2光催化剂材料在有机污染物的降解，水和空气的净化、杀菌和消毒，生态建筑材料等领域有着非常广泛的应用前景，因而引起了世界各国政府、产业部门和学术界的广泛兴趣和关注。在实际应用中，TiO2光催化材料已用于水和空气的净化装置、自洁玻璃表面涂层、抗菌光催化陶瓷面砖等领域，产生了巨大的经济、环境和社会效益。
虽然TiO2作为光催化材料具备不可比拟的性能优势，但是在实际应用中还存在很多缺陷，（1）首先TiO2的带隙较小（3.2eV），使得它对光的吸收仅限于紫外区，对太阳能的利用率很低；（2）空穴与电子的重新复合影响半导体的光催化效率。由于这些缺陷的存在，使其光催化效率不是很高，仍然无法满足实际应用的要求。因此，通过对TiO2改性来提高其光催化活性成为迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能促使光生电子和空穴有效分离、提高了光催化活性的表面负载氧化铁的可见光响应型球形二氧化钛复合光催化剂的制备方法。
本发明具有以下优点：
本发明制备的光催化剂具有高效的光催化活性，能够在太阳光和紫外光下高效光催化降解有毒有害物质，对有机污染物可完全降解为水和二氧化碳，可应用于多种有机物的光催化降解反应中，降解率均接近100%，具有极大的工业应用价值。
本发明制备复合光催化剂的反应条件温和，反应装置简单，制备效率高，对被降解物的纯度要求低，且可多次回收利用，成本较低。
附图说明
图1为所制备的二氧化钛微球的扫面照片。
图2为负载氧化铁的二氧化钛微球复合光催化剂铁元素与二氧化钛的质量比为1:10时的投射电镜照片。
图3为负载氧化铁的二氧化钛微球复合光催化剂铁元素与二氧化钛的质量比为1:10的样品和纯二氧化钛微球的紫外可见吸收光谱。
图4为负载氧化铁的二氧化钛微球复合光催化剂铁元素与二氧化钛的质量比为1:10的样品和纯二氧化钛在500W氙灯照射下对亚甲基蓝的降解率曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明的技术方案是在微米尺度的球形二氧化钛表面负载纳米尺度的氧化铁颗粒，通过浸渍法制备负载铁的复合光催化剂。由于二者具有不同的能带结构，能带位置不同会产生势能差，形成了一种异质结构，促使光生电子和空穴的有效分离，从而提高了其光催化活性。
本发明所述的表面负载氧化铁的可见光响应型球形二氧化钛复合光催化剂的制备方法，由以下步骤实现：
步骤一：制备二氧化钛微球：配制摩尔浓度为0.1M的盐溶液；按照盐溶液：钛酸四丁酯：无水乙醇=（0.3-0.6）:（1.5-2.5）:100的体积比将三者混合，强烈搅拌直至形成二氧化钛溶胶；静置24h后用无水乙醇离心、洗涤，在真空条件下于80℃干燥12h，即制得球形二氧化钛颗粒；
步骤二：复合光催化剂的制备：配制摩尔浓度为0.01-0.1M的铁盐溶液；按铁元素与二氧化钛质量比为（0.001-0.1）:1的比例，将步骤一制备的二氧化钛微球分散到铁盐溶液中；或者按照质量比铁:二氧化钛:去离子水=（0.001-0.1）:1:20，先将铁盐固体粉末用去离子水溶解后，加入步骤一制备的二氧化钛粉末；磁力搅拌15min后超声分散15min ，使二氧化钛微球完全分散到铁盐溶液中，静置3h后在真空条件下于80℃干燥24h，之后将所得粉体在300-500℃焙烧2h，即得到表面负载氧化铁的二氧化钛复合光催化剂。
步骤一中，盐溶液为氯化锂溶液、氯化钠溶液或氯化钾溶液等的碱金属氯化物溶液，且种类不限于此。
步骤二中，铁盐为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁或乙酸铁。
实施例一：
步骤一：配制摩尔浓度为0.1M的氯化锂溶液；按照盐溶液：钛酸四丁酯：无水乙醇=0.3: 1.5:100的体积比将三者混合，强烈搅拌直至形成二氧化钛溶胶；静置24h后用无水乙醇离心、洗涤，在真空条件下于80℃干燥12h，即制得球形二氧化钛颗粒；
步骤二：配制摩尔浓度为0.01M的氯化铁溶液；按铁元素与二氧化钛质量比为0.001:1的比例，将步骤一制备的二氧化钛微球分散到铁盐溶液中；或者按照质量比铁:二氧化钛:去离子水=0.001:1:20，先将铁盐固体粉末用去离子水溶解后，加入步骤一制备的二氧化钛粉末；磁力搅拌15min后超声分散15min ，使二氧化钛微球完全分散到铁盐溶液中，静置3h后在真空条件下于80℃干燥24h，之后将所得粉体在300℃焙烧2h，即得到表面负载氧化铁的二氧化钛复合光催化剂。
实施例二：
步骤一：配制摩尔浓度为0.1M的氯化钠溶液；按照盐溶液：钛酸四丁酯：无水乙醇=0.4:2:100的体积比将三者混合，强烈搅拌直至形成二氧化钛溶胶；静置24h后用无水乙醇离心、洗涤，在真空条件下于80℃干燥12h，即制得球形二氧化钛颗粒；
步骤二：配制摩尔浓度为0.05M的硝酸铁溶液；按铁元素与二氧化钛质量比为0.01:1的比例，将步骤一制备的二氧化钛微球分散到铁盐溶液中；或者按照质量比铁:二氧化钛:去离子水=0.01:1:20，先将铁盐固体粉末用去离子水溶解后，加入步骤一制备的二氧化钛粉末；磁力搅拌15min后超声分散15min ，使二氧化钛微球完全分散到铁盐溶液中，静置3h后在真空条件下于80℃干燥24h，之后将所得粉体在400℃焙烧2h，即得到表面负载氧化铁的二氧化钛复合光催化剂。
实施例三：
步骤一：配制摩尔浓度为0.1M的氯化钠溶液；按照盐溶液：钛酸四丁酯：无水乙醇=0.5:2:100的体积比将三者混合，强烈搅拌直至形成二氧化钛溶胶；静置24h后用无水乙醇离心、洗涤，在真空条件下于80℃干燥12h，即制得球形二氧化钛颗粒；
步骤二：配制摩尔浓度为0.05M的硫酸铁溶液；按铁元素与二氧化钛质量比为0.01:1的比例，将步骤一制备的二氧化钛微球分散到铁盐溶液中；或者按照质量比铁:二氧化钛:去离子水=0.01:1:20，先将铁盐固体粉末用去离子水溶解后，加入步骤一制备的二氧化钛粉末；磁力搅拌15min后超声分散15min ，使二氧化钛微球完全分散到铁盐溶液中，静置3h后在真空条件下于80℃干燥24h，之后将所得粉体在400℃焙烧2h，即得到表面负载氧化铁的二氧化钛复合光催化剂。
实施例四：
步骤一：配制摩尔浓度为0.1M的氯化钾溶液；按照盐溶液：钛酸四丁酯：无水乙醇=0.6: 2.5:100的体积比将三者混合，强烈搅拌直至形成二氧化钛溶胶；静置24h后用无水乙醇离心、洗涤，在真空条件下于80℃干燥12h，即制得球形二氧化钛颗粒；
步骤二：配制摩尔浓度为0.1M的乙酸铁溶液；按铁元素与二氧化钛质量比为0.1:1的比例，将步骤一制备的二氧化钛微球分散到铁盐溶液中；或者按照质量比铁:二氧化钛:去离子水=0.1:1:20，先将铁盐固体粉末用去离子水溶解后，加入步骤一制备的二氧化钛粉末；磁力搅拌15min后超声分散15min ，使二氧化钛微球完全分散到铁盐溶液中，静置3h后在真空条件下于80℃干燥24h，之后将所得粉体在500℃焙烧2h，即得到表面负载氧化铁的二氧化钛复合光催化剂。
本发明所涉及的二氧化钛微球的粒径为200nm-2μm，晶型为锐钛矿型。表面负载的氧化铁粒径为10nm-100nm。图1为所制备的二氧化钛微球的扫面照片，从同种可以看到二氧化钛微球直径大约为500nm表面光滑。图2为负载氧化铁的二氧化钛微球复合光催化剂铁元素与二氧化钛的质量比为1:10时的投射电镜照片，从图中可以看到氧化铁晶粒负载在二氧化钛微球表面，已接近形成一种核壳结构。图3为负载氧化铁的二氧化钛微球复合光催化剂铁元素与二氧化钛的质量比为1:10的样品和纯二氧化钛微球的紫外可见吸收光谱，从图中可以看到复合光催化剂的光响应范围发生了明显的红移，在可见光区（＞400nm）范围内有一定的吸收。实现了催化剂在可见光区的响应。图4为负载氧化铁的二氧化钛微球复合光催化剂铁元素与二氧化钛的质量比为1:10的样品和纯二氧化钛在500W氙灯照射下对亚甲基蓝的降解率曲线，从中可以看出氧化铁颗粒的负载大大提高了二氧化钛在可见光条件下的光催化性能。
Claims (5)
1.表面负载氧化铁的可见光响应型球形二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：
由以下步骤实现：
步骤一：制备二氧化钛微球：配制摩尔浓度为0.1M的盐溶液；按照盐溶液：钛酸四丁酯：无水乙醇=（0.3-0.6）:（1.5-2.5）:100的体积比将三者混合，强烈搅拌直至形成二氧化钛溶胶；静置24h后用无水乙醇离心、洗涤，在真空条件下于80℃干燥12h，即制得球形二氧化钛颗粒；
步骤二：复合光催化剂的制备：配制摩尔浓度为0.01-0.1M的铁盐水溶液；按铁元素与二氧化钛质量比为（0.001-0.1）:1的比例，将步骤一制备的二氧化钛微球分散到铁盐溶液中；或者按照质量比铁:二氧化钛:去离子水=（0.001-0.1）:1:20，先将铁盐固体粉末用去离子水溶解后，加入步骤一制备的二氧化钛粉末；磁力搅拌15min后超声分散15min ，使二氧化钛微球完全分散到铁盐溶液中，静置3h后在真空条件下于80℃干燥24h，之后将所得粉体在300-500℃焙烧2h，即得到表面负载氧化铁的二氧化钛复合光催化剂。
2.根据权利要求1所述的表面负载氧化铁的可见光响应型球形二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：
步骤一中，盐溶液为氯化锂溶液、氯化钠溶液或氯化钾溶液。
3.根据权利要求1或2所述的表面负载氧化铁的可见光响应型球形二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：
步骤二中，铁盐为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁或乙酸铁。
4.根据权利要求3所述的表面负载氧化铁的可见光响应型球形二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：
所述的二氧化钛微球的粒径为200nm-2μm，晶型为锐钛矿型。
5.根据权利要求4所述的表面负载氧化铁的可见光响应型球形二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：
所述的表面负载的氧化铁粒径为10nm-100nm。
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