CN103263949A - 一种带补丁片状二氧化钛光催化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带补丁片状二氧化钛光催化剂,该二氧化钛纳米结构为孪晶结构,其制备方法主要为:氢氟酸和冰醋酸加入水中混合均匀,加入钛酸四丁酯并充分搅拌,在烘箱中充分反应,进行固液分离,将所得沉淀用纯净水进行洗涤、干燥,制得带补丁片状二氧化钛。本发明的带补丁的二氧化钛光催化剂结构新颖,光催化活性高,结构稳定,制备方法简单,制备原料简单可以循环利用,制造成本极低。

Description

一种带补丁片状二氧化钛光催化剂
技术领域
本发明属于光催化剂技术领域,具体说是一种带补丁片状二氧化钛光催化剂及其制备方法。
背景技术
人类社会和经济可持续发展日益面临能源短缺和环境恶化两大问题,正处在城镇化和工业化加速发展阶段的中国,对清洁能源及环境保护技术的研发需求尤为紧迫。理论上,从自然界获取可以利用太阳光能量并低成本制取氢能源是解决上述问题的理想途径,发展相关技术和新材料有广阔前景(张彤,2009)。
1972年日本科学家Fujishima等发现TiO2单晶电级可以实现光催化分解水(FujishimaA,1972),后来又发现纳米TiO2具有光催化降解有机物的能力,TiO2成为材料领域的研究热点,但TiO2的禁带宽度为3.2eV,其对应的吸收波长为387.5nm,光吸收仅局限于紫外光区。但这部分光仅占照射到地面太阳光谱的5%,且TiO2量子效率最多不高于28%,综合起来太阳能的利用效率仅在1%左右,利用效率很低。
为解决这个问题,科学家经过不断研究,提出两种途径:一是对二氧化钛等传统光催化材料进行掺杂和改性,二是开发新的光催化材料,使其能对可见光响应。二氧化钛的掺杂和改性已经取得一些成果,但效果并不显著。自从2008年的一篇关于二氧化钛的文章中,其制备过程中使用了氢氟酸后,人们经过不断地实验改进,发现加入氢氟酸反应生成的二氧化钛活性大大提高,因此二氧化钛有望成为21世纪在可见光下广泛利用的新型催化剂。
二氧化钛催化降解有机污染物的速度与晶体形貌暴露的面有一定关系,最新研究发现(110)和(100)面显示了更强的光催化活性,二氧化钛的催化活性仍有待进一步提高,因此研究二氧化钛简便的合成方法和提高其催化活性是研究的重点。
纳米Ti02的制备方法主要分为气相法和液相法,前者包括氢氧火焰水解法、气相氧化法、钛酸盐气相水解法和气相分解法等,后者则包括溶胶一凝胶法、微乳法、水解法、水热合成法和一步合成法等。尽管气相法制备的Ti02粉体粒度小、纯度高、分散性好,但工艺复杂、成本高且对设备和原料的要求较高。相比而言,液相法制备Ti02的工艺简单、成本低廉、设备投资小,已成为国内研究纳米Ti02常用的方法。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中的不足,提供一种稳定性好,结构新颖,催化活性高的带补丁片状二氧化钛光催化剂以及简单易行的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
由于二氧化钛是紫外响应,要想提高它的光催化活性,就要从改变形貌入手,增加催化剂的比表面积。
本发明提供的一种带补丁片状二氧化钛光催化剂,所述二氧化钛纳米结构为孪晶结构,晶体粒径比较小。
该二氧化钛催化剂的制备具体步骤包括:
1)将氢氟酸和冰醋酸加入水中,按质量比为氢氟酸:水:冰醋酸=1: 1~8: 20~100的比例混合,搅拌均匀,形成混合溶液;
2)取钛酸四丁酯与步骤1)中的混合溶液与进行混合,充分搅拌;其中钛酸四丁酯与所述氢氟酸的质量比:1~7 :1;
3)将步骤2)所得溶液置入耐压釜中,将耐压釜放入烘箱中,在120℃-200℃温度下反应12-72小时;
4)反应完成后冷却至室温,进行固液分离,将所得沉淀用纯净水进行洗涤、60℃温度下烘干,制得带补丁片状二氧化钛。
步骤1)中氢氟酸的质量百分浓度为40%。
本发明方法得到的片状补丁结构二氧化钛活性比商品化二氧化钛活性要高出10倍左右,因此片状补丁结构的二氧化钛具有高效的光催化性能。
本发明具有以下突出的有益效果:本发明的带补丁的二氧化钛光催化剂结构新颖,光催化活性高,结构稳定,制备方法简单,制备原料简单可以循环利用,制造成本极低。
附图说明
图1是本发明的带补丁片状二氧化钛光催化剂扫描电镜图(SEM);
图2是实施例1制得的带补丁片状二氧化钛作为光催化剂降解罗丹明B实验结果图;
图3是实施例2制得的带补丁片状二氧化钛作为光催化剂降解罗丹明B实验结果图;
图4是实施例3制得的带补丁片状二氧化钛与商品化二氧化钛作为光催化剂降解罗丹明B实验结果对比图;
图中:其中C0为罗兰眀B的初始浓度,C为经过可见光照射一段时间后测量的罗兰眀B浓度值,曲线A为没有催化剂时的罗丹明B光降解情况,曲线B、D为带补丁片状二氧化钛作为光催化剂时的罗丹明B光降解情况,曲线C为商品化二氧化钛作为光催化剂时的罗丹明B光降解情况。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明:
实施案例一:
取质量分数为40%的氢氟酸0.17g倒入塑料烧杯中,往其中加入3.40g醋酸和0.17g水,搅拌均匀,取0.17g钛酸四丁酯倒入玻璃烧杯中,然后将塑料烧杯中的混合溶液倒入钛酸四丁酯溶液中,(按质量比钛酸四丁酯:氢氟酸:醋酸:水=1:1:20:1)搅拌10分钟,最后将溶液倒入耐压釜中,放入烘箱中在120度温度下反应72小时,取出冷却后,离心洗涤沉淀,60℃温度下烘干即可。图1是本实施例制得的产品的扫描电镜图(SEM),从图中可以看出其呈带补丁片状,为孪晶结构。
将得到的二氧化钛粉末用作催化剂降解罗丹明B,称取100mg样品加入200mL RhB 溶液(10-50mg/L),避光搅拌30 min,使 RhB 溶液在催化剂表面达到吸附/脱附平衡。然后开启光源进行光催化反应,每隔10 min 取15mL 反应液,经离心分离后,上清液用分光光度计检测。根据样品在550 nm处吸光度值来确定降解过程中RhB 浓度变化。本实施例中采用的是300W 氙灯,使用滤光片以保证入射光为紫外光(<400nm)。此时得到的光降解情况如图2所示,可以看出:在没有加催化剂时,罗丹明B基本不降解(图2中的曲线A),加入片状补丁结构二氧化钛时,罗丹明B在光照30分钟后基本完全降解(图2中的曲线B)。
实施案例二:
取质量分数为40%的氢氟酸0.25g倒入塑料烧杯中,往其中加入25g醋酸和2.00g水,搅拌均匀,取0.25g钛酸四丁酯倒入玻璃烧杯中,然后将塑料烧杯中的混合溶液倒入钛酸四丁酯溶液中,(按质量比钛酸四丁酯:氢氟酸:醋酸:水=1:1:100:8)搅拌10分钟,最后将溶液倒入耐压釜中,放入烘箱中在180度温度下反应12小时,取出冷却后,离心洗涤沉淀,60℃温度下烘干即可。
将得到的二氧化钛粉末用作催化剂降解罗丹明B,称取100mg样品加入200mL RhB 溶液(10-50mg/L),避光搅拌30 min,使 RhB 溶液在催化剂表面达到吸附/脱附平衡。然后开启光源进行光催化反应,每隔10 min 取15mL 反应液,经离心分离后,上清液用分光光度计检测。根据样品在550 nm处吸光度值来确定降解过程中RhB 浓度变化。本实施例中采用的是300W 氙灯,使用滤光片以保证入射光为紫外光(<400nm)。此时得到的光降解情况如图3所示,可以看出:在没有加催化剂时,罗丹明B基本不降解(图3中的曲线A),加入片状补丁结构二氧化钛时,罗丹明B在光照30分钟后基本完全降解(图3中的曲线B)。图四A是商品化二氧化钛,B是片状补丁结构的二氧化钛,
实施案例三:
取质量分数为40%的氢氟酸0.25g倒入塑料烧杯中,往其中加入20g醋酸和1.50g水,搅拌均匀,取1.75g钛酸四丁酯倒入玻璃烧杯中,然后将塑料烧杯中的混合溶液倒入钛酸四丁酯溶液中,(按质量比钛酸四丁酯:氢氟酸:醋酸:水=7:1:80:6)搅拌12分钟,最后将溶液倒入耐压釜中,放入烘箱中在200度温度下反应48小时,取出冷却后,离心洗涤沉淀,60℃温度下烘干即可。
将得到的二氧化钛粉末和商品化二氧化钛用作催化剂降解罗丹明B,称取100mg样品加入200mL RhB 溶液(10-50mg/L),避光搅拌30 min,使 RhB 溶液在催化剂表面达到吸附/脱附平衡。然后开启光源进行光催化反应,每隔5 min 取15mL 反应液,经离心分离后,上清液用分光光度计检测。根据样品在550 nm处吸光度值来确定降解过程中RhB 浓度变化。本实施例中采用的是300W 氙灯,使用滤光片以保证入射光为紫外光(<400nm)。此时得到的光降解情况如图4所示,由图4可以看出片状补丁结构二氧化钛活性(光降解情况为曲线D)比商品化二氧化钛活性(光降解情况为曲线C)要高出10倍左右,因此片状补丁结构的二氧化钛具有高效的光催化性能。
以上是本发明的较佳实施例,凡依本发明技术方案所作的改变,所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时,均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种带补丁片状二氧化钛光催化剂,其特征在于,所述二氧化钛纳米结构为孪晶结构。
2.一种带补丁片状二氧化钛光催化剂的制备方法,其特征在于,所述二氧化钛纳米结构为孪晶结构,该二氧化钛催化剂的制备具体步骤包括:
1)将氢氟酸和冰醋酸加入水中,按质量比为氢氟酸:水:冰醋酸=1: 1~8: 20~100的比例混合,搅拌均匀,形成混合溶液;
2)取钛酸四丁酯与步骤1)中的混合溶液与进行混合,充分搅拌;其中钛酸四丁酯与所述氢氟酸的质量比:1~7 :1;
3)将步骤2)所得溶液置入耐压釜中,将耐压釜放入烘箱中,在120℃-200℃温度下反应12-72小时;
4)反应完成后冷却至室温,进行固液分离,将所得沉淀用纯净水进行洗涤、60℃温度下烘干,制得带补丁片状二氧化钛。
3.根据权利要求2所述带补丁片状二氧化钛光催化剂的制备方法,其特征在于,步骤1)中氢氟酸的质量百分浓度为40%。
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