CN103041799A - 一种镧、硼共掺杂的二氧化钛可见光催化剂的制备方法 - Google Patents

一种镧、硼共掺杂的二氧化钛可见光催化剂的制备方法 Download PDF

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兰茜
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Abstract

本发明涉及一种镧、硼共掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法,采用改进的溶胶凝胶法,以硝酸镧为镧源,硼酸为硼源,制备镧和硼共掺杂的二氧化钛光催化剂。该催化剂在可见光区的吸收增强,与纯二氧化钛光催化剂相比,具有优越的可见光活性。最佳掺杂量(La:Ti=1at%,B:Ti=3at%)时,可见光下降解20mg·L-1的酸性二号橙,光照5h时,其降解率达93%。本发明具有简单易行、原料易得、成本低廉、掺杂元素易控制的特点。通过掺杂元素镧和硼的协同作用,纳米二氧化钛拓宽了光谱利用范围,提高了光催化效率。

Description

一种镧、硼共掺杂的二氧化钛可见光催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种镧、硼共掺杂二氧化钛可见光催化剂的制备方法,属于光催化技术领域。
背景技术
TiO2是一种新型的无机功能材料,由于其高效、价廉、无毒、化学稳定性好等优点,并广泛应用于空气净化、污水处理、抗菌等环保领域,它现在已被誉为“环境催化剂”。然而,由于TiO2禁带宽度较宽(3.2eV),它仅在紫外光下激发才能发生光催化作用,对太阳光的利用十分有限,仅占5%。另外,由于光生电子和空穴易于在催化剂的体相和表面发生复合,使得催化剂光量子效率低下。因此TiO2的工业推广受到了一定制约,近年来科研工作者对TiO2进行了深入的研究,他们尝试了染料光敏化、半导体复合、贵金属沉积以及金属或者非金属离子掺杂等手段对TiO2进行改性,以拓展TiO2对可见光的吸收,提高光量子效率,而金属和非金属离子共掺杂被认为是可以有效提高TiO2的光催化活性的方法。
目前,已有科学家证实了硼掺杂TiO2通常可能以取代掺杂和间隙掺杂两种形式存在,且B掺杂可以拓展对可见光的吸收。Zaleska等用两种方法制备了B-TiO2催化剂,DRS结果表明两种方法制备的B-TiO2均对光吸收增强,即B的存在拓展了TiO2对可见光的吸收(Zaleska A,Sobczak J W, et al.Appl Catal B-Environ.2008,78,92)。Zhao等以溶胶凝胶法制备了Ni2O3/TiO2-xBx光催化剂,通过XPS表征证实B进入TiO2晶格,B以取代掺杂B-Ti-O的形式存在,这可以拓展对可见光的响应,使TiO2的吸收边红移,但是它的光催化活性并未增强(Zhao W, Ma W, et al.J AmChem Soc.2004,126,4782)。且有研究证明,当其他元素与硼共掺杂制备TiO2时,由于组分之间的协同作用,可能得到具有高活性的TiO2光催化剂。
此外,稀土元素镧因为其独特的4f结构的电子构型,可以与不同的Lewis碱的官能团发生作用,有效提高有机污染物在催化剂表面的吸附量;有相关研究表明镧掺杂可以有效抑制光生电子和空穴的分离,提高光催化活性。Zhao等通过溶胶
凝胶法制备了La和Ag共掺杂的TiO2薄膜,共掺杂的催化剂光催化活性加强。作者指出La3+掺杂会引起晶格畸变,易形成氧空穴去捕获光生空穴。另外,La3+有一个电子结构相对稳定的空轨道(4f05d6s0),其捕获的空穴易于被释放出去,因此延长了光生载流子的寿命(Zhao N,Yao M,Li F,Lou F.J Solid State Chem.2011,184,2770)。
发明内容
本发明的目的在于解决TiO2对太阳能利用率低和光量子效率低的问题,提供了一种具有高可见光活性TiO2纳米材料的制备方法,通过改进的溶胶凝胶法制备了镧硼共掺杂的TiO2。该方法原料易得,操作简单,制备周期短。
本发明所述方法制备的可见光催化剂粒径在10-16nm之间,比表面积在50~100m2/g之间,孔容在0.07~0.11cm3/g之间,平均孔径在3.7~4.9nm之间。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种镧、硼共掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(1)在室温下,将3.4mL的钛酸正丁酯滴加到20mL的乙醇中,搅拌30min,得到溶液A;
(2)称一定量的硼酸和一定量的La(NO3)3·nH2O溶解到35mL无水乙醇中,并继续加入3.6mL H2O和0.1mL HNO3,得到溶液B;
(3)将溶液B滴加到溶液A中,搅拌,静置,得到凝胶;
(4)将所得到的凝胶干燥,研磨,高温煅烧处理,即得到产品。
步骤(2)中所述的钛与硼酸的摩尔比为1∶0.03~1∶0.05。
步骤(2)中所述的钛与硝酸镧的摩尔比为1∶0.002~1∶0.02。
步骤(4)中所述的干燥温度为50~80℃。
步骤(4)中所述的高温煅烧在马弗炉中,空气氛围下进行处理,高温温度为400~800℃,煅烧时间为2~4h。
所述的高温煅烧时间优选2h。
本发明的优势体现在:
(1)制备所用原料易得且成本低廉;
(2)合成工艺操作简单,条件易于控制;
(3)掺杂元素的含量易控制,可对催化剂的物化性质和光催化性能进行调控;
(4)掺杂组分镧与硼之间的协同作用,使TiO2具有高活性,可进一步拓宽TiO2的应用领域。
附图说明
图1为实施例1-6得到6个样品的广角X射线衍射图;
图2为实施例1、例2、例5得到的二氧化钛、硼掺杂二氧化钛以及镧硼共掺杂二氧化钛的紫外-可见漫反射光谱图;
图3为实施例5产品氮气吸附等温线图,里面的小图为孔径分布图;
图4为实施例1、例2、例5得到的二氧化钛、硼掺杂二氧化钛以及镧硼共掺杂二氧化钛在可见光下降解20mg·L-1酸性二号橙的光催化活性图。
本发明提供的光催化活性评价方法
通过酸性二号橙的光催化降解来评价所制备样品的光催化活性。取0.06g所制备的催化剂放入直径为2cm的石英试管中,再加入60mL浓度为20mg/L的酸性二号橙溶液。首先,避光搅拌30分钟进行暗反应,使染料在催化剂表面达到吸附-脱附平衡。然后用500W的卤灯照射,波长λ<420nm的光用滤光片滤掉,光源与石英管的距离为10cm。光照后,每1h取样一次,离心分离后,用紫外可见分光光度计测量溶液在484nm处的吸收强度,根据浓度与吸光度的关系曲线,计算其光照5h后的降解率。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)在室温下,将3.4mL的钛酸正丁酯滴加到20mL的乙醇中,搅拌30min,得到溶液A;
(2)将35mL无水乙醇、3.6mL H2O和0.1mL HNO3混合搅拌,得到溶液B;
(3)将溶液B滴加到溶液A中,搅拌4h,静置一段时间,得到凝胶;
(4)将所得到的凝胶在60℃干燥,研磨,在400℃下高温煅烧3h,得到未掺杂的二氧化钛光催化剂。
实施例2
(1)在室温下,将3.4mL的钛酸正丁酯滴加到20mL的乙醇中,搅拌30min,得到溶液A;
(2)称0.0186g硼酸溶解到35mL无水乙醇中,并继续加入3.6mL H2O和0.1mL HNO3,得到溶液B;
(3)将溶液B滴加到溶液A中,搅拌,静置,得到凝胶;
(4)将所得到的凝胶在60℃干燥,研磨,在400℃下高温煅烧3h,得到硼掺杂的二氧化钛光催化剂。
实施例3
(1)在室温下,将3.4mL的钛酸正丁酯滴加到20mL的乙醇中,搅拌30min,得到溶液A;
(2)称0.0186g硼酸和0.0065g La(NO3)3·nH2O溶解到35mL无水乙醇中,并继续加入3.6mLH2O和0.1mLHNO3,得到溶液B;
(3)将溶液B滴加到溶液A中,搅拌4h,静置一段时间,得到凝胶;
(4)将所得到的凝胶在60℃干燥,研磨,在400℃下高温煅烧3h,得到镧硼共掺杂的二氧化钛光催化剂。
实施例4
(1)在室温下,将3.4mL的钛酸正丁酯滴加到20mL的乙醇中,搅拌30min,得到溶液A;
(2)称0.0186g硼酸和0.0162g La(NO3)3·nH2O溶解到35mL无水乙醇中,并继续加入3.6mL H2O和0.1mL HNO3,得到溶液B;
(3)将溶液B滴加到溶液A中,搅拌4h,静置一段时间,得到凝胶;
(4)将所得到的凝胶在60℃干燥,研磨,在400℃下高温煅烧3h,得到镧硼共掺杂的二氧化钛光催化剂。
实施例5
(1)在室温下,将3.4mL的钛酸正丁酯滴加到20mL的乙醇中,搅拌30min,得到溶液A;
(2)称0.0186g硼酸和0.0325g La(NO3)3·nH2O溶解到35mL无水乙醇中,并继续加入3.6mL H2O和0.1mL HNO3,得到溶液B;
(3)将溶液B滴加到溶液A中,搅拌4h,静置一段时间,得到凝胶;
(4)将所得到的凝胶在60℃干燥,研磨,在400℃下高温煅烧3h,得到镧硼共掺杂的二氧化钛光催化剂。
实施例6
(1)在室温下,将3.4mL的钛酸正丁酯滴加到20mL的乙醇中,搅拌30min,得到溶液A;
(2)称0.0186g硼酸和0.0487g La(NO3)3·nH2O溶解到35mL无水乙醇中,并继续加入3.6mL H2O和0.1mL HNO3,得到溶液B;
(3)将溶液B滴加到溶液A中,搅拌4h,静置一段时间,得到凝胶;
(4)将所得到的凝胶在60℃干燥,研磨,在400℃下高温煅烧3h,得到镧硼共掺杂的二氧化钛光催化剂。
本发明中,所制备的催化剂均为锐钛矿相,镧和硼掺杂都在不同程度上抑制了晶粒的生长,且镧掺杂时,晶粒尺寸随着掺杂量的增加而显著减小,催化剂的比表面积相应增大。镧掺杂抑制了光生电子和空穴的复合;硼掺杂增强了对可见光的吸收,在二者的协同作用下,得到了具有可见光响应的高活性二氧化钛材料,可进一步拓宽二氧化钛纳米材料的应用领域。

Claims (6)

1.一种镧、硼共掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
(1)在室温下,将3.4mL的钛酸正丁酯滴加到20mL的乙醇中,搅拌30min,得到溶液A;
(2)称一定量的硼酸和一定量的La(NO3)3·nH2O溶解到35mL无水乙醇中,并继续加入3.6mLH2O和0.1mLHNO3,得到溶液B;
(3)将溶液B滴加到溶液A中,搅拌,静置,得到凝胶;
(4)将所得到的凝胶干燥,研磨,高温煅烧处理,即得到产品。
2.根据权利要求1所述的一种镧、硼共掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述的钛与硼酸的摩尔比为1∶0.03~1∶0.05。
3.根据权利要求1所述的一种镧、硼共掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述的钛与硝酸镧的摩尔比为1∶0.002~1∶0.02。
4.根据权利要求1所述的一种镧、硼共掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(4)中所述的干燥温度为50~80℃。
5.根据权利要求1所述的一种镧、硼共掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(4)中所述的高温煅烧在马弗炉中,空气氛围下进行处理,高温温度为300~800℃。
6.根据权利要求1所述的一种镧、硼共掺杂二氧化钛光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(4)中所述的高温煅烧时间为2~4h。
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