CN102728349A - 一种FeOOH修饰的TiO2光催化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，由TiO₂和沉积于所述TiO₂表面的Pt及FeOOH组成，所述TiO₂的粒径为5nm～120nm，TiO₂表面沉积Pt的质量分数为0.6%～1.2%，TiO₂表面沉积FeOOH的质量分数为3%～49%。本发明还提供了该催化剂的制备方法如下：一、将TiO₂粉体进行热处理；二、将热处理后的TiO₂进行氢化处理；三、进行表面沉积Pt处理；四、进行表面沉积FeOOH处理，得到FeOOH修饰的TiO₂光催化剂。本发明原料来源广泛，制备工艺简单；采用本发明制备的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂能够实现光生电子和空穴的有效分离，具有优良的利用太阳光的能力。

Description

一种FeOOH修饰的TiO2光催化剂及其制备方法

技术领域

本发明属于纳米科学和光催化技术领域，具体涉及一种FeOOH修饰的TiO₂光催化剂及其制备方法。

背景技术

随着化石燃料的不断减少、能源需求的持续增加以及对环保要求的提高，实现对太阳能的高效利用，已经成为各国科研者竞相研究的热点课题之一。多相半导体光催化技术具有能耗低、操作简单、条件温和等优点，显示出广阔的应用前景。虽然目前已报道了100多种光催化剂以及众多的光催化剂改性方法，然而现有的光催化剂利用太阳能的效率依然有很大的提高空间。

TiO₂纳米粉体，特别是TiO₂纳米管粉体由于具有巨大的比表面积，可迅速促进表面反应的进行，因此其作为一种半导体催化剂，被广泛的应用于以太阳能为基础能源的清洁能源和环境领域中。目前为了提高TiO₂纳米材料利用太阳能，特别是利用可见光的效率，众多的学者开展了大量的工作。

代表性的工作是，美国加州大学的X. B. Chen等人在2011年第331卷“Science”期刊的“Increasing Solar Absorption for Photocatalysis with Black Hydrogenated Titanium Dioxide Nanocrystals”一文中研究发现，在氢气气氛的保护下，经热处理后的TiO₂纳米粉具有优异的太阳光催化性能，其中经氢化处理后的TiO₂纳米粉掺杂质量百分数为0.6%的Pt单质后，其在模拟太阳光的照射实验中具有良好的活性以及稳定的制氢速率，且制氢速率可达10mmol h^-1.g^-1。就目前而言，该氢化处理的TiO₂纳米材料展示出最大的太阳能的利用效率，但是该方法的不足之处是氢化过程太长，并且该TiO₂纳米材料有望进一步通过多重修饰提高其利用太阳能的效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种原料来源广泛易得、制备工艺简单的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂。该TiO₂光催化剂经氢化处理、表面担载Pt单质修饰、表面沉积FeOOH修饰后，能够有效地实现光生电子和空穴的分离，具有优良的利用太阳光的能力，

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，其特征在于，所述FeOOH修饰的TiO₂光催化剂由TiO₂和沉积于所述TiO₂表面的Pt及FeOOH组成；所述TiO₂的平均粒径为5nm～120nm，所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.6%～1.2%，所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为3%～49%。

上述的一种FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，所述TiO₂的平均粒径为50nm～90nm，所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.7%～1.0%，所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为10%～30%。

上述的一种FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，所述TiO₂的平均粒径为70nm，所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.8%，所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为20%。

上述的一种FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，所述FeOOH为γ-FeOOH。

另外，本发明还提供了一种制备上述FeOOH修饰的TiO₂光催化剂的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将TiO₂粉体置于马弗炉中，在温度为300℃～550℃的条件下热处理1h～12h；所述TiO₂粉体的平均粒径为5nm～120nm；

步骤二、将步骤一中热处理后的TiO₂粉体置于氢气炉中，在温度为280℃～550℃的条件下氢化处理0.5h～10h；

步骤三、将步骤二中氢化处理后的TiO₂粉体与PtCl₄或H₂PtCl₆一起加入甲醇水溶液中，每150mL甲醇水溶液中加入氢化处理后的TiO₂粉体的质量为0.02g，搅拌均匀后得到固液混合物；

步骤四、将步骤三中所述固液混合物采用功率为300W的氙灯照射0.1h～2h，使PtCl₄或H₂PtCl₆中的Pt⁴⁺离子还原为Pt单质并沉积于TiO₂的表面，得到表面沉积Pt的TiO₂；所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.6～1.2%；

步骤五、向步骤四中含有表面沉积Pt的TiO₂的固液混合物中加入铁的氯化物，搅拌均匀后，采用300W的氙灯照射0.5h～3h，使铁的氯化物转变为FeOOH并沉积于TiO₂表面，得到FeOOH修饰的TiO₂光催化剂；所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为3%～49%。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述TiO₂粉体为球形介孔粉体、球形实心粉体或纳米管粉体。

上述的方法，其特征在于，步骤二中所述氢化处理的氢气流速为2×10^-2m³·min^-1～9×10^-2m³·min^-1；

上述的方法，其特征在于，步骤三中所述甲醇水溶液中甲醇的体积百分数为20%～60%。

上述的方法，其特征在于，步骤五中所述铁的氯化物为FeCl₂和/或FeCl₃。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）本发明原料来源广泛、易得，制备工艺简单；本发明的氢化处理过程的时间仅为0.5h～10h，而传统的氢化处理TiO₂粉体的时间需70h以上，因此本发明大大缩短了生产周期，提高了生产效率。

（2）本发明将一定粒径尺寸的TiO₂粉体依次经过氢化处理、表面沉积Pt、表面沉积FeOOH，制备的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂能够有效地实现光生电子和空穴的分离，因此具有优良的利用太阳光的能力；在模拟太阳光的照射实验中，其产氢速率可达15mmol·h^-1·g^-1～30mmol·h^-1·g^-1，与现有的光催化剂相比提高了1.3～3.2倍。

（3）本发明的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，其光催化降解有机污染物的效率与传统的TiO₂纳米材料相比提高了1.5～2.7倍。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

实施例1

本实施例的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，由TiO₂和沉积于所述TiO₂表面的Pt及FeOOH组成；所述TiO₂的平均粒径为70nm，所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.8%，所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为20%；所述FeOOH为γ-FeOOH。

本实施例的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将TiO₂粉体置于马弗炉中，在温度为300℃的条件下热处理12h；所述TiO₂粉体为平均粒径为70nm的球形介孔粉体；

步骤二、将步骤一中热处理后的TiO₂粉体置于氢气炉中，在温度为280℃的条件下氢化处理10h；所述氢化处理的氢气流速为9×10^-2m³·min^-1；

步骤三、将步骤二中氢化处理后的TiO₂粉体与PtCl₄或H₂PtCl₆一起加入甲醇水溶液中，每150mL甲醇水溶液中加入氢化处理后的TiO₂粉体的质量为0.02g，搅拌均匀后得到固液混合物；所述甲醇水溶液中甲醇的体积百分数为40%；

步骤四、将步骤三中所述固液混合物采用功率为300W的氙灯照射0.5h，使PtCl₄或H₂PtCl₆中的Pt⁴⁺离子还原为Pt单质并沉积于TiO₂的表面，得到表面沉积Pt的TiO₂；所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.8%；

步骤五、向步骤四中含有表面沉积Pt的TiO₂的固液混合物中加入铁的氯化物，搅拌均匀后，采用300W的氙灯照射1.5h，使铁的氯化物转变为FeOOH并沉积于TiO₂表面，得到FeOOH修饰的TiO₂光催化剂；所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为20%。

实施例2

本实施例的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，由TiO₂和沉积于所述TiO₂表面的Pt及FeOOH组成；所述TiO₂的平均粒径为5nm，所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.6%，所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为3%；所述FeOOH为γ-FeOOH。

本实施例的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将TiO₂粉体置于马弗炉中，在温度为550℃的条件下热处理1h；所述TiO₂粉体为平均粒径为5nm的球形实心粉体；

步骤二、将步骤一中热处理后的TiO₂粉体置于氢气炉中，在温度为550℃的条件下氢化处理0.5h；所述氢化处理的氢气流速为2×10^-2m³·min^-1；

步骤三、将步骤二中氢化处理后的TiO₂粉体与PtCl₄或H₂PtCl₆一起加入甲醇水溶液中，每150mL甲醇水溶液中加入氢化处理后的TiO₂粉体的质量为0.02g，搅拌均匀后得到固液混合物；所述甲醇水溶液中甲醇的体积百分数为20%；

步骤四、将步骤三中所述固液混合物采用功率为300W的氙灯照射2h，使PtCl₄或H₂PtCl₆中的Pt⁴⁺离子还原为Pt单质并沉积于TiO₂的表面，得到表面沉积Pt的TiO₂；所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.6%；

步骤五、向步骤四中含有表面沉积Pt的TiO₂的固液混合物中加入铁的氯化物，搅拌均匀后，采用300W的氙灯照射0.5h，使铁的氯化物转变为FeOOH并沉积于TiO₂表面，得到FeOOH修饰的TiO₂光催化剂；所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为3%。

实施例3

本实施例的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，由TiO₂和沉积于所述TiO₂表面的Pt及FeOOH组成；所述TiO₂的平均粒径为50nm，所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.7%，所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为10%；所述FeOOH为γ-FeOOH。

本实施例的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将TiO₂粉体置于马弗炉中，在温度为350℃的条件下热处理9h；所述TiO₂粉体为平均长度为50nm的纳米管粉体。

步骤二、将步骤一中热处理后的TiO₂粉体置于氢气炉中，在温度为350℃的条件下氢化处理6h；所述氢化处理的氢气流速为5×10^-2m³·min^-1；

步骤三、将步骤二中氢化处理后的TiO₂粉体与PtCl₄或H₂PtCl₆一起加入甲醇水溶液中，每150mL甲醇水溶液中加入氢化处理后的TiO₂粉体的质量为0.02g，搅拌均匀后得到固液混合物；所述甲醇水溶液中甲醇的体积百分数为20%；

步骤四、将步骤三中所述固液混合物采用功率为300W的氙灯照射2h，使PtCl₄或H₂PtCl₆中的Pt⁴⁺离子还原为Pt单质并沉积于TiO₂的表面，得到表面沉积Pt的TiO₂；所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.7%；

步骤五、向步骤四中含有表面沉积Pt的TiO₂的固液混合物中加入铁的氯化物，搅拌均匀后，采用300W的氙灯照射2h，使铁的氯化物转变为FeOOH并沉积于TiO₂表面，得到FeOOH修饰的TiO₂光催化剂；所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为10%。

实施例4

本实施例的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，由TiO₂和沉积于所述TiO₂表面的Pt及FeOOH组成；所述TiO₂的平均粒径为90nm，所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为1.0%，所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为30%；所述FeOOH为γ-FeOOH。

本实施例的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将TiO₂粉体置于马弗炉中，在温度为450℃的条件下热处理3h；所述TiO₂粉体为平均粒径为90nm的球形介孔粉体；

步骤二、将步骤一中热处理后的TiO₂粉体置于氢气炉中，在温度为350℃的条件下氢化处理4h；所述氢化处理的氢气流速为7×10^-2m³·min^-1；

步骤三、将步骤二中氢化处理后的TiO₂粉体与PtCl₄或H₂PtCl₆一起加入甲醇水溶液中，每150mL甲醇水溶液中加入氢化处理后的TiO₂粉体的质量为0.02g，搅拌均匀后得到固液混合物；所述甲醇水溶液中甲醇的体积百分数为30%；

步骤四、将步骤三中所述固液混合物采用功率为300W的氙灯照射2h，使PtCl₄或H₂PtCl₆中的Pt⁴⁺离子还原为Pt单质并沉积于TiO₂的表面，得到表面沉积Pt的TiO₂；所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为1.0%；

步骤五、向步骤四中含有表面沉积Pt的TiO₂的固液混合物中加入铁的氯化物，搅拌均匀后，采用300W的氙灯照射2h，使铁的氯化物转变为FeOOH并沉积于TiO₂表面，得到FeOOH修饰的TiO₂光催化剂；所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为30%。

实施例5

本实施例的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，由TiO₂和沉积于所述TiO₂表面的Pt及FeOOH组成；所述TiO₂的平均粒径为120nm，所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为1.2%，所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为49%；所述FeOOH为γ-FeOOH。

本实施例的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将TiO₂粉体置于马弗炉中，在温度为300℃的条件下热处理12h；所述TiO₂粉体为平均粒径为120nm的球形实心粉体；

步骤二、将步骤一中热处理后的TiO₂粉体置于氢气炉中，在温度为550℃的条件下氢化处理0.5h；所述氢化处理的氢气流速为9×10^-2m³·min^-1；

步骤三、将步骤二中氢化处理后的TiO₂粉体与PtCl₄或H₂PtCl₆一起加入甲醇水溶液中，每150mL甲醇水溶液中加入氢化处理后的TiO₂粉体的质量为0.02g，搅拌均匀后得到固液混合物；所述甲醇水溶液中甲醇的体积百分数为20%；

步骤四、将步骤三中所述固液混合物采用功率为300W的氙灯照射2h，使PtCl₄或H₂PtCl₆中的Pt⁴⁺离子还原为Pt单质并沉积于TiO₂的表面，得到表面沉积Pt的TiO₂；所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为1.2%；

步骤五、向步骤四中含有表面沉积Pt的TiO₂的固液混合物中加入铁的氯化物，搅拌均匀后，采用300W的氙灯照射3h，使铁的氯化物转变为FeOOH并沉积于TiO₂表面，得到FeOOH修饰的TiO₂光催化剂；所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为49%。

实施例6

本实施例的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，由TiO₂和沉积于所述TiO₂表面的Pt及FeOOH组成；所述TiO₂的平均粒径为80nm，所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.9%，所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为22%。

本实施例的FeOOH修饰的TiO₂光催化剂的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将TiO₂粉体置于马弗炉中，在温度为300℃的条件下热处理5h；所述TiO₂粉体为平均粒径为80nm的球形实心粉体；

步骤二、将步骤一中热处理后的TiO₂粉体置于氢气炉中，在温度为280℃的条件下氢化处理9h；所述氢化处理的氢气流速为6×10^-2m³·min^-1；

步骤三、将步骤二中氢化处理后的TiO₂粉体与PtCl₄或H₂PtCl₆一起加入甲醇水溶液中，每150mL甲醇水溶液中加入氢化处理后的TiO₂粉体的质量为0.02g，搅拌均匀后得到固液混合物；所述甲醇水溶液中甲醇的体积百分数为20%；

步骤四、将步骤三中所述固液混合物采用功率为300W的氙灯照射1.6h，使PtCl₄或H₂PtCl₆中的Pt⁴⁺离子还原为Pt单质并沉积于TiO₂的表面，得到表面沉积Pt的TiO₂；所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.9%；

步骤五、向步骤四中含有表面沉积Pt的TiO₂的固液混合物中加入铁的氯化物，搅拌均匀后，采用300W的氙灯照射1h，使铁的氯化物转变为FeOOH并沉积于TiO₂表面，得到FeOOH修饰的TiO₂光催化剂；所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为22%。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，其特征在于，所述FeOOH修饰的TiO₂光催化剂由TiO₂和沉积于所述TiO₂表面的Pt及FeOOH组成；所述TiO₂的平均粒径为5nm～120nm，所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.6%～1.2%，所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为3%～49%。

2.根据权利要求1中所述的一种FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，其特征在于，所述TiO₂的平均粒径为50nm～90nm，所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.7%～1.0%，所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为10%～30%。

3.根据权利要求2中所述的一种FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，其特征在于，所述TiO₂的平均粒径为70nm，所述TiO₂表面沉积Pt的质量百分数为0.8%，所述TiO₂表面沉积FeOOH的质量百分数为20%。

4.根据权利要求1、2或3中所述FeOOH修饰的TiO₂光催化剂，其特征在于，所述FeOOH为γ-FeOOH。

5.一种制备如权利要求1、2或3所述FeOOH修饰的TiO₂光催化剂的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将TiO₂粉体置于马弗炉中，在温度为300℃～550℃的条件下热处理1h～12h；所述TiO₂粉体的平均粒径为5nm～120nm；

步骤二、将步骤一中热处理后的TiO₂粉体置于氢气炉中，在温度为280℃～550℃的条件下氢化处理0.5h～10h；

步骤三、将步骤二中氢化处理后的TiO₂粉体与PtCl₄或H₂PtCl₆一起加入甲醇水溶液中，每150mL甲醇水溶液中加入氢化处理后的TiO₂粉体的质量为0.02g，搅拌均匀后得到固液混合物；

步骤四、将步骤三中所述固液混合物采用功率为300W的氙灯照射0.1h～2h，使PtCl₄或H₂PtCl₆中的Pt⁴⁺离子还原为Pt单质并沉积于TiO₂的表面，得到表面沉积Pt的TiO₂；

步骤五、向步骤四中含有表面沉积Pt的TiO₂的固液混合物中加入铁 的氯化物，搅拌均匀后，采用300W的氙灯照射0.5h～3h，使铁的氯化物转变为FeOOH并沉积于TiO₂表面，得到FeOOH修饰的TiO₂光催化剂。

6.根据权利要求5中所述的方法，其特征在于，步骤一中所述TiO₂粉体为球形介孔粉体、球形实心粉体或纳米管粉体。

7.根据权利要求5中所述的方法，其特征在于，步骤二中所述氢化处理中的氢气流速为2×10^-2m³·min^-1～9×10^-2m³·min^-1。

8.根据权利要求5中所述的方法，其特征在于，步骤三中所述甲醇水溶液中甲醇的体积百分数为20%～60%。

9.根据权利要求5中所述的方法，其特征在于，步骤五中所述铁的氯化物为FeCl₂和/或FeCl₃。