CN103506104B - 玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜及其制备方法 - Google Patents

玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜，它是以吐温80为模版离子和碳源，制备非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜，所述非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜负载在玻璃片载体上。本发明还公开了所述催化膜的制备方法。本发明的TiO2催化膜能利用400～700nm的可见光进行光催化反应，可以直接利用取之不尽的太阳光作为光源；其次，非金属元素碳的掺杂有利于TiO2光生电子和空穴的分离，使其能够充分发挥氧化、还原作用，提高光催化活性；其三，催化膜在物理化学性能稳定的玻璃片载体上负载，解决了粉末催化剂使用中易流失、难回收等弊端。

Description

玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜及其制备方法
技术领域
本发明属于环境材料技术领域，具体涉及一种TiO2光催化薄膜及其制备方法，尤其是玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜及其制备方法。 
技术背景
光催化氧化技术是近年来备受瞩目的一种水体污染物处理技术，已经得到了极为广泛的研究。TiO2化学性质稳定、无毒、价廉、反应条件温和、净化对象广谱、不产生二次污染，被认为是一种极具前途的环境污染深度净化技术。但是采用TiO2作为光催化剂处理废水至今仍停留在实验室阶段，尚未进入实际应用的主要原因是：（1）纯TiO2只能在波长小于387nm的紫外光下才有光催化活性（这部分光仅占到达地球表面太阳光的4%），而占40%以上波长为400～800nm的可见光却不能被利用；（2）光催化效率低；（3）粉末态TiO2使用过程中难回收。为了提高TiO2的光催化效率和对可见光的利用率，解决粉末态TiO2使用过程中难回收的难题，众多研究者做了大量的工作。 
专利CN101884939A公开了一种制备氮掺杂TiO2光催化薄膜的方法。该方法首先采用离子渗氮工艺对金属钛或钛合金表面进行渗氮处理，之后再采用微弧氧化技术在渗氮后的金属钛或钛合金基体上原位生长TiO2薄膜。该方法应用于光催化净化领域，与未掺杂氮的TiO2薄膜相比，对紫外光和可见光的吸收效率明显提高，光生电流强度明显增强，降解有机污染的降解效率显著提高。专利CN101696032A公开了一种铬氮共掺杂纳米TiO2粉体的制备方法。该方法将钛源和沉淀剂按1:2的比例混合溶于去离子水中制成混合溶液，经带聚四氟乙烯内衬的高压釜中进行水热合成反应，温度为100～200℃，压力为0.1～20MPa，搅拌速度100～1000rpm，保温时间为1～24h，经过水洗、醇洗至中性，最后经过干燥，得到锐钛矿型铬氮共掺杂纳米TiO2粉体。该方法制备的铬氮共掺杂纳米TiO2粉体比表面积大，光催化活性和光催化效率显著提高。然而，上述报道中，均存在制备工艺复杂、成本高、合成的催化剂稳定性差等问题。因此，制备具有可 见光活性的TiO2固定化材料仍是业界努力的目标。 
发明内容
本发明的目的是提供一种能够利用可见光响应的光催化剂及制备方法，且该催化剂在可见光条件下的光催化效率高，能够以薄膜的形式负载于物理化学性能稳定的载体上，从而解决TiO2光催化剂不能利用太阳光和粉末态TiO2易流失的难题。 
本发明的技术方案是： 
一种玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜，它是以吐温80为模版离子和碳源，制备非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜，所述非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜负载在玻璃片载体上。 
优选地，所述非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜中C和TiO2的质量比为0.49～0.62∶99.38～99.51。 
一种玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜的制备方法，包括以下步骤： 
1）以吐温80为模版离子和碳源，采用溶胶-凝胶法制备非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜的前驱体溶胶； 
2）将载体玻璃片浸渍于步骤1）得到的前驱体溶胶中并提拉制得湿膜，经过干燥、煅烧，并重复操作5～15次，即得。 
优选地，所述非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜中C和TiO2的质量比为0.49～0.62∶99.38～99.51。 
进一步优选地，步骤1）中所述的非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜的前驱体溶胶的制备方法是：将5～10mL吐温80溶于40mL异丙醇中搅拌，待吐温80完全溶解后，缓慢加入6mL钛酸异丙酯，搅拌5min，待混合均匀后，加入6mL冰醋酸，然后剧烈搅拌10min后，密封反应器，在室温下搅拌老化24h，即得。 
进一步优选地，步骤2）中所述载体玻璃片的提拉速度是12～13cm·min-1。 
进一步优选地，步骤2）中所述的干燥是在60℃下干燥30min。 
进一步优选地，步骤2）中所述的煅烧是将负载后的玻璃片置于控温炉中以2～4℃·min-1的速度升温至400℃煅烧30min。 
进一步优选地，步骤2）的重复次数为9次。 
本发明的有益效果是：首先，本发明的玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜能利用400～700nm的可见光进行光催化反应，可以直接利用取之不尽的太阳光作为光源；其次，非金属元素碳的掺杂有利于TiO2光生电子和空穴的分离，使其能够充分发挥氧化、还原作用，提高光催化活性；其三，催化膜在物理化学性能稳定的玻璃片载体上负载，解决了粉末催化剂使用中易流失、难回收等弊端。 
通过本方法制备的碳掺杂TiO2可见光响应催化膜表面平整、透明；玻璃片表面的纳米TiO2的主要晶相仍为锐钛矿相；催化膜的光吸收带红移至700nm；催化膜在过滤掉小于420nm光波长的氙灯光照射下，对水溶液中的甲基橙降解率达到了88.3～91.89%，比同样条件下纯TiO2催化膜高2.97～3倍；本发明的催化膜重复试验3次，其对甲基橙的脱色率没有发生明显降低。因此，本发明得到了一种较好的可见光响应催化材料。 
附图说明
图1为本发明碳掺杂TiO2可见光响应催化膜和纯TiO2薄膜的紫外可见吸收光谱。 
图2为本发明碳掺杂TiO2可见光响应催化膜和纯TiO2薄膜可见光催化降解甲基橙水溶液的降解率。 
图3为本发明碳掺杂TiO2可见光响应催化膜在可见光照射下光催化降解甲基橙水溶液的三次循环使用结果。 
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。 
实施例1 
一种玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜，它是以吐温80为模版离子和碳源，制备非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜，所述非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜负载在玻璃片载体上，所述非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜中C和TiO2的质量比为0.62∶99.38。 
它的制备方法是： 
1、非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜前驱体溶胶的制备： 
将10mL吐温80表面活性剂溶于40mL异丙醇中搅拌，待吐温80完全溶解后，缓慢加入6mL钛酸异丙酯，搅拌5min，待混合均匀后，加入6mL冰醋酸，然后加大磁力搅拌速度，剧烈搅拌10min后，密封反应器，在室温下搅拌老化24h，得到透明橙黄色的稳定凝胶。 
2、非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜在玻璃片载体上的负载： 
将载体玻璃片清洗，干燥后浸渍于上述制备的透明橙黄色前驱体溶胶中，将玻璃片以12.5cm·min-1的速度在前驱体溶胶中向上提拉制得湿膜，然后在60℃下干燥30min，继续置于程序控温炉以2～4℃·min-1的速度升温至400℃煅烧30min，然后取出，再浸渍于前驱体溶胶中提拉、干燥、煅烧，此过程重复9次，即制得透明、平滑、均匀的玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜。 
实施例2 
一种玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜，它是以吐温80为模版离子和碳源，制备非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜，所述非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜负载在玻璃片载体上，所述非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜中C和TiO2的质量比为0.49∶99.51。 
制备方法与实施例1相同，所不同的是步骤1中吐温80的用量是5mL。 
产品性能检测： 
1、检测指标和方法 
1）XRD测定：将本发明制备的碳掺杂TiO2催化剂薄膜直接用于XRD测定，所用仪器为德国Braker D8型X射线衍射仪，测试条件为：CuKα辐射，管压40kV，管流20mA，扫描速度为0.01°s-1。 
2）UV-Vis漫反射光谱测定：测定粉末样品来自于刮落的薄膜表面的碳掺杂TiO2纳米颗粒粉末，所用仪器为日本岛津UV-2450型紫外可见分光光度计。 
3）甲基橙水溶液的光降解实验：将上述载有碳掺杂TiO2光催化剂的玻璃片浸入甲基橙水溶液中，用300W氙灯（采用420nm滤光片过滤掉波长小于420nm的光）照射，定时测定甲基橙浓度，得出光降解率。 
2、检测结果 
实施例1、2制作的玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜的尺寸为：长:宽:厚=50mm:25mm:3mm，其主要性能如下： 
1）XRD测定表明，以相同方法制备的碳掺杂TiO2粉末，其主晶相均为锐钛矿相。 
2）UV-Vis漫反射光谱测定表明，纯TiO2膜的系数波长低于387nm，而负载的碳掺杂TiO2光催化膜吸收带红移至700nm。 
3）甲基橙水溶液的光催化降解实验结果表明，以负载在玻璃片载体上碳掺杂TiO2薄膜为催化剂，其甲基橙的脱色率实施例1和2分别为91.89%和88.30%，是同样条件下纯TiO2膜的3倍和2.97倍（纯TiO2薄膜在相同条件下，对甲基橙的降解率为29.75%）。 
4）甲基橙水溶液的光降解的重复实验结果表明，重复3次其甲基橙脱色率没有发生明显降低，表明碳掺杂TiO2薄膜的催化活性稳定。 

Claims (5)

1.一种可降解甲基橙的玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜，其特征在于：它是以吐温80为模板离子和碳源，制备非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜，所述非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜负载在玻璃片载体上，所述非金属碳掺杂纳米TiO2光催化薄膜中C和TiO2的质量比为0.49～0.62∶99.38～99.51， 
其制备方法包括以下步骤： 
1)将5～10mL吐温80溶于40mL异丙醇中搅拌，待吐温80完全溶解后，缓慢加入6mL钛酸异丙酯，搅拌5min，待混合均匀后，加入6mL冰醋酸，然后剧烈搅拌10min后，密封反应器，在室温下搅拌老化24h，即得前驱体溶胶； 
2)将载体玻璃片浸渍于步骤1)得到的前驱体溶胶中并提拉制得湿膜，经过干燥、煅烧，并重复操作5～15次，即得。 
2.根据权利要求1所述的可降解甲基橙的玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜，其特征在于：步骤2)中所述载体玻璃片的提拉速度是12～13cm·min-1。 
3.根据权利要求1所述的可降解甲基橙的玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜，其特征在于：步骤2)中所述的干燥是在60℃下干燥30min。 
4.根据权利要求1所述的可降解甲基橙的玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜，其特征在于：步骤2)中所述的煅烧是将负载后的玻璃片置于控温炉中以2～4℃·min-1的速度升温至400℃煅烧30min。 
5.根据权利要求1所述的可降解甲基橙的玻璃片载体上碳掺杂TiO2可见光响应催化膜，其特征在于：步骤2)的重复次数为9次。 
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