CN103071479A - 双稀土元素镧和钆共掺杂二氧化钛纳米管的制备方法 - Google Patents

双稀土元素镧和钆共掺杂二氧化钛纳米管的制备方法 Download PDF

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林琳
赵斌
殷天惠
金彩虹
何丹农
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Abstract

本发明提出一种双稀土元素镧和钆共掺杂二氧化钛纳米管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：二氧化钛纳米管的制备：采用强碱-水热联合法制备二氧化钛纳米管；配置一硝酸镧和硝酸钆混合溶液；在搅拌过程中，加入二氧化钛纳米管于步骤(2)的溶液中；继续搅拌一定时间；将产物抽滤，洗涤，将所得产物在80℃恒温干燥箱干燥10小时，研磨成粉，最后置于马弗炉中经一定温度焙烧，即得镧和钆共掺杂的二氧化钛纳米管复合材料。该制备方法能够将多种稀土离子成功负载在二氧化钛纳米管表面及内部，稀土离子在TiO2纳米管中的分散性高，产物性质稳定；并且该方法具有工艺和流程简便，且产品经烧结后仍然保持了管状结构。

Description

双稀土元素镧和钆共掺杂二氧化钛纳米管的制备方法
技术领域
本发明属于纳米二氧化钛改性技术领域，具体涉及一种双稀土材料镧和钆共掺杂二氧化钛纳米管复合材料的制备方法。
背景技术
二氧化钛由于低廉的价格，快速的电子-空穴分离成为光催化、太阳能电池的光阳极材料等。二氧化钛(TiO2)光催化剂在工业化应用中遇到了以下几个瓶颈：一是电子-空穴对容易复合，光催化量子效率低；二是二氧化钛是一种宽禁带的半导体，对光的吸附范围窄，只有能量大于或等于其禁带宽度的紫外线才能激发TiO2产生光催化和光化学反应，而紫外线仅占太阳自然光辐射的3％～5％左右，太阳能利用率低。因此，各种办法用来对TiO2进行改性，从而扩大对太阳光的光谱响应范围并抑制电子-空穴对的复合。研究表明，稀土元素具有特殊的4f电子结构，且稀土氧化物具有多晶型、强吸附性、稳定性，适量的稀土离子的掺杂能有效的改善TiO2的半导体性质，稀土离子能取代TiO2中的Ti，从而使TiO2在不降低紫外光下活性的同时扩大其对太阳光的光谱响应范围，提高其对可见光的利用率。近年来，有关稀土元素对二氧化钛进行掺杂改性的研究也取得了关键性进展，但仍存在很大的研究空间，尤其是双稀土元素改性TiO2纳米管的研究很少。
发明内容
本发明的目的是为了制备一种具有可见光响应的掺杂纳米管复合材料。
本发明采用浸渍-共沉淀法制备了稀土元素和Gd共掺杂二氧化钛纳米管的复合材料(简称La-Gd/TiO2)，具体步骤如下：
-种双稀土元素镧和钆共掺杂二氧化钛纳米管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)二氧化钛纳米管的制备：采用强碱-水热联合法制备二氧化钛纳米管；
(2)配置一硝酸镧和硝酸钆混合溶液；
(3)在搅拌过程中，加入二氧化钛纳米管于步骤(2)的溶液中；继续搅拌一定时间；
(4)将产物抽滤，洗涤，将所得产物在80℃恒温干燥箱干燥10小时，研磨成粉，最后置于马弗炉中经一定温度焙烧，即得镧和钆共掺杂的二氧化钛纳米管复合材料。
步骤(2)中所述硝酸镧和硝酸钆混合溶液的浓度为0.001～0.005M。
步骤(3)所述二氧化钛纳米管的加入量为0.01～0.1M。
步骤(3)中所述搅拌时间为10～24小时。
步骤(4)中所述的焙烧温度为300～600℃。
本发明中，所采用氢氧化钠、硝酸镧、硝酸钆、P25均为分析纯。
本发明方法所得产物的结构、形貌、组成进行表征，分别选用X射线粉末衍射(XRD)、投射电子显微镜(TEM)、N2吸附比表面积测试仪(BET)等手段进行表征。
本发明优点在于：
1.本发明采用浸渍-共沉淀法制备了双稀土(La-Gd)共掺杂TiO2纳米管复合材料。
2.本发明的合成方法简单，整个制备过程简便，条件易控，且产物的后处理方便，具有很强的通用性。
3.本发明的制备过程无需使用任何特殊的添加剂及催化剂等，因此本发明具有经济、成本低廉的特点。
4.本发明在制备时不产生对环境有污染的副产物，符合可持续发展要求，是一种环保型合成工艺。制备的产物形貌、尺寸易控，纯度高，结晶度好且产物处理方便简洁，适合于中等规模工业生产。
附图说明
图1为实施例1中所得的TiO2的TEM图。
图2为实施例1中所得的TiO2的XRD图。
图3为实施例1中所得的La-Gd/TiO2的XRD图。
图4为实施例1中所得的La-Gd/TiO2的TEM图。
图5为实施例3中所得的La-Gd/TiO2的TEM图。
图6为实施例5中所得的La-Gd/TiO2的TEM图。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步描述本发明。
实施例1：
本发明采用浸渍-共沉淀法制备双稀土掺杂二氧化钛纳米管复合材料，该方法包括以下步骤：
(1)TiO2纳米管的制备：采用强碱-水热联合法制备TiO2纳米管；
(2)配置硝酸镧和硝酸钆水溶液(0.001M)；
(3)在搅拌过程中，称取一定量的TiO2纳米管(0.01M)于步骤(2)的溶液中；继续搅拌16h；
(4)将产物抽滤，洗涤(除去表面吸附的La3+和Gd3+)，将所得产物在80℃恒温干燥箱干燥10h，研磨成粉，即得La和Gd共掺杂的TiO2纳米管复合材料。
将步骤(4)中所得产物分别用TEM、XRD对其结构和晶型进行表征，图1、2为强碱法制备的TiO2纳米管的TEM和XRD图，从图中可以看出，纳米管的形貌很清晰，形貌均一，两端开口，生长良好；同时可以看出产物的晶型为锐钛矿晶形，且XRD的衍射峰中没有其它杂质峰，表明所得产物的结晶度很好。图3为La-Gd/TiO2复合产物的TEM图，从图中可以看出，产物仍然保持了TiO2纳米管的形貌，此外，从XRD图中可以看出，经掺杂后，出现了镧和钆的衍射峰，这表明La3+、Gd3+已经进入TiO2晶格内。
实施例2：
本发明采用浸渍-共沉淀法制备双稀土掺杂二氧化钛纳米管复合材料，该方法包括以下步骤：
(5)TiO2纳米管的制备：采用强碱-水热联合法制备TiO2纳米管；
(6)配置硝酸镧和硝酸钆水溶液(0.001M)；
(7)在搅拌过程中，称取一定量的TiO2纳米管(0.01M)于步骤(2)的溶液中；继续搅拌16h；
(8)将产物抽滤，洗涤(除去表面吸附的La3+和Gd3+)，将所得产物在80℃恒温干燥箱干燥10h，研磨成粉，最后置于马弗炉中300℃焙烧，即得La和Gd共掺杂的TiO2纳米管复合材料。
实施例3：
本发明采用浸渍-共沉淀法制备双稀土掺杂二氧化钛纳米管复合材料，该方法包括以下步骤：
(1)TiO2纳米管的制备：采用强碱-水热联合法制备TiO2纳米管；
(2)配置硝酸镧和硝酸钆水溶液(0.001M)；
(3)在搅拌过程中，称取一定量的TiO2纳米管(0.01M)于步骤(2)的溶液中；继续搅拌16h；
(4)将产物抽滤，洗涤(除去表面吸附的La3+和Gd3+)，将所得产物在80℃恒温干燥箱干燥10h，研磨成粉，最后置于马弗炉中400℃焙烧，即得La和Gd共掺杂的TiO2纳米管复合材料。
将步骤(4)中所得产物用TEM进行表征，如图5所示，从图中可以看出，产物仍然保持了纳米管的形貌。
实施例4：
本发明采用浸渍-共沉淀法制备双稀土掺杂二氧化钛纳米管复合材料，该方法包括以下步骤：
(1)TiO2纳米管的制备：采用强碱-水热联合法制备TiO2纳米管；
(2)配置硝酸镧和硝酸钆水溶液(0.001M)；
(3)在搅拌过程中，称取一定量的TiO2纳米管(0.02M)于步骤(2)的溶液中；继续搅拌16h；
(4)将产物抽滤，洗涤(除去表面吸附的La3+和Gd3+)，将所得产物在80℃恒温干燥箱干燥10h，研磨成粉，最后置于马弗炉中500℃焙烧，即得La和Gd共掺杂的TiO2纳米管复合材料。
将步骤(4)中所得产物用TEM进行表征，如图5所示，从图中可以看出，产物仍然保持了纳米管的形貌。
实施例5：
本发明采用浸渍-共沉淀法制备双稀土掺杂二氧化钛纳米管复合材料，该方法包括以下步骤：
(1)TiO2纳米管的制备：采用强碱-水热联合法制备TiO2纳米管；
(2)配置硝酸镧和硝酸钆水溶液(0.003M)；
(3)在搅拌过程中，称取一定量的TiO2纳米管(0.05M)于步骤(2)的溶液中；继续搅拌16h；
(4)将产物抽滤，洗涤(除去表面吸附的La3+和Gd3+)，将所得产物在80℃恒温干燥箱干燥10h，研磨成粉，最后置于马弗炉中600℃焙烧，即得La和Gd共掺杂的TiO2纳米管复合材料。
将步骤(4)中所得产物用TEM进行表征，如图6所示，从图中可以看出，产物仍然保持了纳米管的形貌。

Claims (5)

1.一种双稀土元素镧和钆共掺杂二氧化钛纳米管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)二氧化钛纳米管的制备：采用强碱-水热联合法制备二氧化钛纳米管；
(2)配置一硝酸镧和硝酸钆混合溶液；
(3)在搅拌过程中，加入二氧化钛纳米管于步骤(2)的溶液中；继续搅拌一定时间；
(4)将产物抽滤，洗涤，将所得产物在80℃恒温干燥箱干燥10小时，研磨成粉，最后置于马弗炉中经一定温度焙烧，即得镧和钆共掺杂的二氧化钛纳米管复合材料。
2.根据权利要求1所述双稀土元素镧和钆共掺杂二氧化钛纳米管的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述硝酸镧和硝酸钆混合溶液的浓度为0.001～0.005M。
3.根据权利要求1所述双稀土元素镧和钆共掺杂二氧化钛纳米管的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述二氧化钛纳米管的加入量为0.01～0.1M。
4.根据权利要求1所述双稀土元素镧和钆共掺杂二氧化钛纳米管的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述搅拌时间为10～24小时。
5.根据权利要求1所述双稀土元素镧和钆共掺杂二氧化钛纳米管的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的焙烧温度为300～600℃。
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