CN104107706A - 一种氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法 - Google Patents
一种氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104107706A CN104107706A CN201410336800.0A CN201410336800A CN104107706A CN 104107706 A CN104107706 A CN 104107706A CN 201410336800 A CN201410336800 A CN 201410336800A CN 104107706 A CN104107706 A CN 104107706A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nitrogen
- iron
- titanium dioxide
- ammonia
- nano titanium
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Catalysts (AREA)
Abstract
本发明涉及一种氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其将钛酸丁酯、无水乙醇、冰醋酸、蒸馏水、氮源和铁源在磁力搅拌下充分混合成均匀的溶胶，溶胶经过陈化后得到凝胶，再对凝胶进行干燥、研磨，然后对研磨后的粉末进行煅烧，得到新型的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂。本发明制备过程简单，该催化剂可以直接用于室内常见污染物氨气的可见光降解，并且氮源、铁源以及煅烧温度存在一个最佳的值，该情况下得到的催化剂光催化活性最高。
Description
技术领域
本发明属于催化剂制备技术领域，涉及一种纳米二氧化钛光催化剂，尤其是一种氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法。
背景技术
自从1972年日本学者Fujishima和Honda发现二氧化钛单晶能分解水以来，光催化反应在空气净化、裂解水制氢气和太阳能电池等领域的研究获得了长足的进展。但作为无机半导体材料，二氧化钛较高的禁带宽度Eg(锐钛矿型的二氧化钛Eg＝3.2eV)使得只有波长较小的紫外光(波长小于400nm)才能激发它的光催化活性，而紫外光只占到了太阳辐射的3％～5％，此外光生空穴和电子高的复合率使得二氧化钛的光催化效率较低。这些问题严重制约了二氧化钛光催化技术在实际中的应用。如何拓展二氧化钛的光谱响应范围和提高其光催化效率一直是光催化技术领域的难题和热点。
研究发现，对锐钛矿型二氧化钛进行氮、碳、硫等非金属离子的单元素掺杂可以减小其禁带宽度，扩展其光谱响应范围；而对锐钛矿型二氧化钛进行铁、铬等过渡金属离子的单元素掺杂在一定程度上可以降低其光生空穴和电子对的复合率，提高光催化效率。但两类单元素掺杂均表现出一定程度的缺陷。近来研究发现，对锐钛矿型二氧化钛进行非金属离子与过渡金属离子的共掺杂在扩展其光谱响应范围的同时，保证了较高的光催化效率。例如中国发明专利CN101475214公开了一种掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体的制备方法，利用红外光谱仪分析得到掺铁掺氮可以拓展纳米二氧化钛的可见光响应范围，但是铁盐的掺杂选择在水溶胶老化并加水稀释后，氮盐的掺杂选择在生成掺铁的纳米二氧化钛之后，这样不能使铁和氮很好地进入到纳米二氧化钛的晶格之中，严重影响到光催化效率，制备工艺设计存在不足。另一中国发明专CN102285686公开了一种快速溶胶凝胶制备铁-氮共掺杂介孔纳米二氧化钛的方法，降解的对象选取的是甲基橙溶液。该方法的工艺时间为2h左右，大大减小了溶胶凝胶化时间，这样同样很不利于铁和氮进入到纳米二氧化钛的晶格中，降低光催化效率，工艺设计有待进一步改善。同时，Fe3+成为捕获光生电子的中心这一论断，并不能由XRD和X射线光电子能谱图得到。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
这种氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(A)在室温下将10～30ml钛酸四丁酯和20～40ml无水乙醇混合溶液在磁力搅拌下搅拌10～40min，得到淡黄色溶液A；
(B)将15～35ml无水乙醇、5～15ml蒸馏水、15～30ml冰醋酸和氮源与铁源进行充分混合，得到溶液B；
(C)将溶液B缓慢加入到溶液A中，并继续搅拌10～40min后得均匀透明的溶胶；
(D)将溶胶陈化10～40h得到胶体状的凝胶；
(F)将步骤(D)得到的凝胶置于50～200℃的电热鼓风干燥箱中进行干燥，直到溶剂完全挥发；
(G)将干燥后的凝胶进行充分研磨成粉体；
(H)将研磨后的粉体置于箱式电阻炉中，煅烧1～4h，冷却后即得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂。
进一步，以上步骤(A)中钛酸四丁酯为17ml，无水乙醇为30ml，搅拌时间约30min。
进一步，以上步骤(B)中无水乙醇为28.32ml，蒸馏水为7.2ml，冰醋酸为20ml；氮源为尿素，氮含量分别控制在该催化剂样品的1at％、4at％、7at％；铁源为硫酸铁，铁含量分别控制在该催化剂样品的1at％、5at％、9at％。
进一步，以上步骤(C)中搅拌时间为30min。
进一步，以上步骤(D)中溶胶的陈化时间为24h。
进一步，以上步骤(F)中干燥温度为100℃。
进一步，以上步骤(H)中煅烧时间为2.5h，煅烧温度分别选取400℃、500℃、600℃。
进一步，将以上步骤(H)制备好的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂放入到
进一步，将步骤(H)制备好的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂放入到平板式光催化反应系统中，通入氨气，在白炽灯下对氨气进行可见光降解；利用傅立叶变换红外光谱仪对氨气进行实时监测，收集50min的氨气数据，得到氨气的降解曲线；通过第一性原理的计算得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的电子态密度图，对其可见光光催化性能进行表征。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过改进溶胶凝胶制备工艺，克服了氮源和铁源不能很好地进入纳米二氧化钛的晶格之中，提高了纳米二氧化钛的可见光催化效率。
(2)本发明平板光催化反应系统，对室内常见污染物氨气进行了可见光催化降解。通过控制氮源和铁源的掺杂量以及煅烧温度，确定氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂最优的工艺参数为：氮含量为1％at，铁含量为5％at，煅烧温度为500℃。
本发明利用氮-铁共掺杂纳米二氧化钛光催化剂的电子态密度图对其进行光催化性能表征，发现氮和铁的共掺杂很好地拓展了纳米二氧化钛的可见光光谱响应范围。同时，这种新型的光催化剂具有独特的N3--Fe3+量子捕获阱对的晶体结构，能够对光生电子和空穴实现双向捕获，提高了其可见光光催化效率。
附图说明
图1为本发明的光催化反应系统；
图2为氨气产生系统
图3为湿度控制系统
图4为平板光催化反应器的内部结构
图5为所制备氮-铁共掺杂纳米二氧化钛光催化剂样品对氨气的可见光降解曲线；
图6为本发明所述氮-铁共掺杂纳米二氧化钛光催化剂与未掺杂纳米二氧化钛的电子态密度图对比。
具体实施方式
本发明的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(A)在室温下将10～30ml钛酸四丁酯和20～40ml无水乙醇混合溶液在磁力搅拌下搅拌10～40min，得到淡黄色溶液A；
(B)将15～35ml无水乙醇、5～15ml蒸馏水、15～30ml冰醋酸和氮源与铁源进行充分混合，得到溶液B；
(C)将溶液B缓慢加入到溶液A中，并继续搅拌10～40min后得均匀透明的溶胶；
(D)将溶胶陈化10～40h得到胶体状的凝胶；
(F)将步骤(D)得到的凝胶置于50～200℃的电热鼓风干燥箱中进行干燥，直到溶剂完全挥发；
(H)将干燥后的凝胶进行充分研磨成粉体；
(H)将研磨后的粉体置于箱式电阻炉中，煅烧1～4h，冷却后即得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂。
步骤(A)中钛酸四丁酯为17ml，无水乙醇为30ml，搅拌时间约30min。
在本发明的最佳实施例中，步骤(B)中无水乙醇为28.32ml，蒸馏水为7.2ml，冰醋酸为20ml；氮源为尿素，氮含量分别控制在该催化剂样品的1at％、4at％、7at％；铁源为硫酸铁，铁含量分别控制在该催化剂样品的1at％、5at％、9at％。步骤(C)中搅拌时间为30min。步骤(D)中溶胶的陈化时间为24h。步骤(F)中干燥温度为100℃。步骤(H)中煅烧时间为2.5h，煅烧温度分别选取400℃、500℃、600℃。
将以上步骤(H)制备好的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂放入到平板式光催化反应系统中，通入氨气，在白炽灯下对氨气进行可见光降解；利用傅立叶变换红外光谱仪对氨气进行实时监测，收集50min的氨气数据，得到氨气的降解曲线；通过第一性原理的计算得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的电子态密度图，对其可见光光催化性能进行表征。如图5所示，可以得出：氮和铁的共掺杂很好地拓展了纳米二氧化钛的可见光光谱响应范围，N3-和Fe3+成为光生电子和空穴的量子捕获阱。
所述平板式光催化反应系统，如图1所示。主要有气体产生系统、湿度控制系统、气体测量系统和平板光催化反应器组成。整个循环气路的体积约为3500ml。
气体产生系统如图2所示，氨气的产生由鼓泡法产生。循环气体通过氨水，从而将氨气通过图1中的进气口携带进入实验反应系统。根据控制气体通过氨水的时间和流量达到控制进入循环系统所需要的氨气的目的。
湿度控制系统如图3所示当气体分别通过支路1和支路2，对气体进行干燥和加湿，从而达到调节气体湿度的目的。气体温湿度由德国testo605-H1温湿度计测定。
气体测量系统由傅立叶变换红外光谱气体分析仪(FourierTransform Infrared Spectroscopy，FTIR)和计算机组成，如图1所示。
平板光催化反应器的内部结构如图4所示，反应器的上方盖有透明的石英玻璃4.1，白炽灯4.2悬挂在石英玻璃4.1上方，可见光可通过石英玻璃4.1透射到TiO24.3光催化剂表面。石英玻璃4.1下方有瓷砖4.4和铁块4.5，4.6为铁架台。气体从催化剂表面水平掠过，在光照下在催化剂表面进行光催化反应。实验还可以通过调节白炽灯在铁架台上的高度改变催化剂表面的光照强度。光催化反应器中催化剂的覆盖面积为150cm2左右。氨气在光催化反应器中的行程为15.5cm，光源选用功率20W、波长60W的白炽灯。将白炽灯固定于反应器的正上方，可通过调节白炽灯的高度来调节光源TiO2光催化剂表面的强度。
在实验开始时，先由气体产生系统产生实验所需要的氨气，打开图1中的进气口阀门，氨气由FTIR的进气泵进行引导，进入反应系统，在循环气路内进行循环。等到氨的浓度达到实验要求时，关掉进气口阀门，关闭气体产生系统。同时根据湿度控制系统调节湿度，从而保证气体的浓度和湿度在规定的范围内变化。气体的浓度和温湿度达到要求时，开启平板光催化反应器中的白炽灯，进行降解实验，并记录下开始的时间，利用傅立叶变换红外光谱仪和计算机对氨气进行实时监测，收集50min的氨气数据，得到氨气的降解曲线。实验结束，关闭白炽灯，打开图1中的排气口阀门，排除剩余气体，用干燥氮气进行冲洗。同时为了保证实验的安全和准确性，光催化反应器由不锈钢铁皮箱罩着。
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细描述：
表1
表1为根据正交实验法选取的9种氮-铁共掺杂纳米二氧化钛光催化剂样品，样品编号分别为NFe-1、NFe-2、NFe-3、NFe-4、NFe-5、NFe-6、NFe-7、NFe-8和NFe-9。
实施例1：
(1)在室温下用量筒分别量取17ml钛酸四丁酯和30ml无水乙醇加入到烧杯中，然后将混合后的溶液放置在磁力搅拌仪上搅拌约30min，直至看到溶液变成淡黄色，记为溶液A。
(2)再用量筒分别量取28.32ml无水乙醇、7.2ml蒸馏水、20ml冰醋酸、N含量为1at％的尿素和Fe含量为1at％的硫酸铁加入到烧杯中混合，得到溶液B。
(3)将溶液A的烧杯放置在磁力搅拌仪上，溶液B放置在滴定架上缓慢加入到溶液A中，搅拌约30min后得均匀透明的溶胶。
(4)将盛有溶胶的烧杯放置在密闭干燥的环境中，陈化24h，直至得到交联状的凝胶。
(5)将盛有凝胶的烧杯放置于电热鼓风干燥箱中，在100℃下进行干燥，直到溶剂完全挥发，变成干燥的块状粉末；
(6)将干燥后的块状粉末在陶瓷研钵中进行充分研磨，直至极其精细的粉末。
(7)将研磨后的细粉末置于箱式电阻炉中，设定煅烧温度为400℃，煅烧时间为2.5h，煅烧完毕后进行空冷，待冷却后取出，即可得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂NFe-1样品。
(8)将制备好的催化剂样品NFe-1放入到自主设计的平板式光催化反应系统中，检查系统的气密性完毕后，采用鼓泡法通入氨气，利用傅立叶红外光谱仪对氨气进行实时监测，保证稳定状态下氨气的浓度为160mg/m3，然后打开白炽灯对氨气进行可见光降解，收集45min的氨气数据，绘制氨气的降解曲线(见图6中NFe-1样品降解曲线)。
实施例2：
(1)在室温下用量筒分别量取17ml钛酸四丁酯和30ml无水乙醇加入到烧杯中，然后将混合后的溶液放置在磁力搅拌仪上搅拌约30min，直至看到溶液变成淡黄色，记为溶液A。
(2)再用量筒分别量取28.32ml无水乙醇、7.2ml蒸馏水、20ml冰醋酸、N含量为1at％的尿素和Fe含量为5at％的硫酸铁加入到烧杯中混合，得到溶液B。
(3)将溶液A的烧杯放置在磁力搅拌仪上，溶液B放置在滴定架上缓慢加入到溶液A中，搅拌约30min后得均匀透明的溶胶。
(4)将盛有溶胶的烧杯放置在密闭干燥的环境中，陈化24h，直至得到交联状的凝胶。
(5)将盛有凝胶的烧杯放置于电热鼓风干燥箱中，在100℃下进行干燥，直到溶剂完全挥发，变成干燥的块状粉末；
(6)将干燥后的块状粉末在陶瓷研钵中进行充分研磨，直至极其精细的粉末。
(7)将研磨后的细粉末置于箱式电阻炉中，设定煅烧温度为500℃，煅烧时间为2.5h，煅烧完毕后进行空冷，待冷却后取出，即可得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂NFe-2样品。
(8)将制备好的催化剂样品NFe-2放入到自主设计的平板式光催化反应系统中，检查系统的气密性完毕后，采用鼓泡法通入氨气，利用傅立叶红外光谱仪对氨气进行实时监测，保证稳定状态下氨气的浓度为160mg/m3，然后打开白炽灯对氨气进行可见光降解，收集45min的氨气数据，绘制氨气的降解曲线(见图6中NFe-2样品降解曲线)。由图4所示，NFe-2样品降解氨气的效果最好，对其可见光光催化性能做进一步的表征。
(9)建立这种新型的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂样品NFe-2的晶体模型，采用基于密度泛函理论的超软赝势与广义梯度近似法对其模型进行几何优化与态密度计算，得到其电子态密度图(见图5)。由图5所示，相比纯的纳米二氧化钛，这种新型的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的禁带宽度Eg从2.11eV减小到0.62eV，说明氮和铁的共掺杂很好地拓展了纳米二氧化钛的可见光光谱响应范围。同时，这种新型的光催化剂具有独特的N3--Fe3+量子捕获阱对的晶体结构，对光生电子和空穴实现双向捕获，提高了其可见光光催化效率。
实施例3：
(1)在室温下用量筒分别量取17ml钛酸四丁酯和30ml无水乙醇加入到烧杯中，然后将混合后的溶液放置在磁力搅拌仪上搅拌约30min，直至看到溶液变成淡黄色，记为溶液A。
(2)再用量筒分别量取28.32ml无水乙醇、7.2ml蒸馏水、20ml冰醋酸、N含量为1at％的尿素和Fe含量为9at％的硫酸铁加入到烧杯中混合，得到溶液B。
(3)将溶液A的烧杯放置在磁力搅拌仪上，溶液B放置在滴定架上缓慢加入到溶液A中，搅拌约30min后得均匀透明的溶胶。
(4)将盛有溶胶的烧杯放置在密闭干燥的环境中，陈化24h，直至得到交联状的凝胶。
(5)将盛有凝胶的烧杯放置于电热鼓风干燥箱中，在100℃下进行干燥，直到溶剂完全挥发，变成干燥的块状粉末；
(6)将干燥后的块状粉末在陶瓷研钵中进行充分研磨，直至极其精细的粉末。
(7)将研磨后的细粉末置于箱式电阻炉中，设定煅烧温度为600℃，煅烧时间为2.5h，煅烧完毕后进行空冷，待冷却后取出，即可得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂NFe-3样品。
(8)将制备好的催化剂样品NFe-3放入到自主设计的平板式光催化反应系统中，检查系统的气密性完毕后，采用鼓泡法通入氨气，利用傅立叶红外光谱仪对氨气进行实时监测，保证稳定状态下氨气的浓度为160mg/m3，然后打开白炽灯对氨气进行可见光降解，收集45min的氨气数据，绘制氨气的降解曲线(见图6中NFe-3样品降解曲线)。
实施例4：
(1)在室温下用量筒分别量取17ml钛酸四丁酯和30ml无水乙醇加入到烧杯中，然后将混合后的溶液放置在磁力搅拌仪上搅拌约30min，直至看到溶液变成淡黄色，记为溶液A。
(2)再用量筒分别量取28.32ml无水乙醇、7.2ml蒸馏水、20ml冰醋酸、N含量为4at％的尿素和Fe含量为1at％的硫酸铁加入到烧杯中混合，得到溶液B。
(3)将溶液A的烧杯放置在磁力搅拌仪上，溶液B放置在滴定架上缓慢加入到溶液A中，搅拌约30min后得均匀透明的溶胶。
(4)将盛有溶胶的烧杯放置在密闭干燥的环境中，陈化24h，直至得到交联状的凝胶。
(5)将盛有凝胶的烧杯放置于电热鼓风干燥箱中，在100℃下进行干燥，直到溶剂完全挥发，变成干燥的块状粉末；
(6)将干燥后的块状粉末在陶瓷研钵中进行充分研磨，直至极其精细的粉末。
(7)将研磨后的细粉末置于箱式电阻炉中，设定煅烧温度为500℃，煅烧时间为2.5h，煅烧完毕后进行空冷，待冷却后取出，即可得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂NFe-4样品。
(8)将制备好的催化剂样品NFe-4放入到自主设计的平板式光催化反应系统中，检查系统的气密性完毕后，采用鼓泡法通入氨气，利用傅立叶红外光谱仪对氨气进行实时监测，保证稳定状态下氨气的浓度为160mg/m3，然后打开白炽灯对氨气进行可见光降解，收集45min的氨气数据，绘制氨气的降解曲线(见图6中NFe-4样品降解曲线)。
实施例5：
(1)在室温下用量筒分别量取17ml钛酸四丁酯和30ml无水乙醇加入到烧杯中，然后将混合后的溶液放置在磁力搅拌仪上搅拌约30min，直至看到溶液变成淡黄色，记为溶液A。
(2)再用量筒分别量取28.32ml无水乙醇、7.2ml蒸馏水、20ml冰醋酸、N含量为4at％的尿素和Fe含量为5at％的硫酸铁加入到烧杯中混合，得到溶液B。
(3)将溶液A的烧杯放置在磁力搅拌仪上，溶液B放置在滴定架上缓慢加入到溶液A中，搅拌约30min后得均匀透明的溶胶。
(4)将盛有溶胶的烧杯放置在密闭干燥的环境中，陈化24h，直至得到交联状的凝胶。
(5)将盛有凝胶的烧杯放置于电热鼓风干燥箱中，在100℃下进行干燥，直到溶剂完全挥发，变成干燥的块状粉末；
(6)将干燥后的块状粉末在陶瓷研钵中进行充分研磨，直至极其精细的粉末。
(7)将研磨后的细粉末置于箱式电阻炉中，设定煅烧温度为600℃，煅烧时间为2.5h，煅烧完毕后进行空冷，待冷却后取出，即可得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂NFe-5样品。
(8)将制备好的催化剂样品NFe-5放入到自主设计的平板式光催化反应系统中，检查系统的气密性完毕后，采用鼓泡法通入氨气，利用傅立叶红外光谱仪对氨气进行实时监测，保证稳定状态下氨气的浓度为160mg/m3，然后打开白炽灯对氨气进行可见光降解，收集45min的氨气数据，绘制氨气的降解曲线(见图6中NFe-5样品降解曲线)。
实施例6：
(1)在室温下用量筒分别量取17ml钛酸四丁酯和30ml无水乙醇加入到烧杯中，然后将混合后的溶液放置在磁力搅拌仪上搅拌约30min，直至看到溶液变成淡黄色，记为溶液A。
(2)再用量筒分别量取28.32ml无水乙醇、7.2ml蒸馏水、20ml冰醋酸、N含量为4at％的尿素和Fe含量为9at％的硫酸铁加入到烧杯中混合，得到溶液B。
(3)将溶液A的烧杯放置在磁力搅拌仪上，溶液B放置在滴定架上缓慢加入到溶液A中，搅拌约30min后得均匀透明的溶胶。
(4)将盛有溶胶的烧杯放置在密闭干燥的环境中，陈化24h，直至得到交联状的凝胶。
(5)将盛有凝胶的烧杯放置于电热鼓风干燥箱中，在100℃下进行干燥，直到溶剂完全挥发，变成干燥的块状粉末；
(6)将干燥后的块状粉末在陶瓷研钵中进行充分研磨，直至极其精细的粉末。
(7)将研磨后的细粉末置于箱式电阻炉中，设定煅烧温度为400℃，煅烧时间为2.5h，煅烧完毕后进行空冷，待冷却后取出，即可得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂NFe-6样品。
(8)将制备好的催化剂样品NFe-6放入到自主设计的平板式光催化反应系统中，检查系统的气密性完毕后，采用鼓泡法通入氨气，利用傅立叶红外光谱仪对氨气进行实时监测，保证稳定状态下氨气的浓度为160mg/m3，然后打开白炽灯对氨气进行可见光降解，收集45min的氨气数据，绘制氨气的降解曲线(见图6中NFe-6样品降解曲线)。
实施例7：
(1)在室温下用量筒分别量取17ml钛酸四丁酯和30ml无水乙醇加入到烧杯中，然后将混合后的溶液放置在磁力搅拌仪上搅拌约30min，直至看到溶液变成淡黄色，记为溶液A。
(2)再用量筒分别量取28.32ml无水乙醇、7.2ml蒸馏水、20ml冰醋酸、N含量为7at％的尿素和Fe含量为1at％的硫酸铁加入到烧杯中混合，得到溶液B。
(3)将溶液A的烧杯放置在磁力搅拌仪上，溶液B放置在滴定架上缓慢加入到溶液A中，搅拌约30min后得均匀透明的溶胶。
(4)将盛有溶胶的烧杯放置在密闭干燥的环境中，陈化24h，直至得到交联状的凝胶。
(5)将盛有凝胶的烧杯放置于电热鼓风干燥箱中，在100℃下进行干燥，直到溶剂完全挥发，变成干燥的块状粉末；
(6)将干燥后的块状粉末在陶瓷研钵中进行充分研磨，直至极其精细的粉末。
(7)将研磨后的细粉末置于箱式电阻炉中，设定煅烧温度为600℃，煅烧时间为2.5h，煅烧完毕后进行空冷，待冷却后取出，即可得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂NFe-7样品。
(8)将制备好的催化剂样品NFe-7放入到自主设计的平板式光催化反应系统中，检查系统的气密性完毕后，采用鼓泡法通入氨气，利用傅立叶红外光谱仪对氨气进行实时监测，保证稳定状态下氨气的浓度为160mg/m3，然后打开白炽灯对氨气进行可见光降解，收集45min的氨气数据，绘制氨气的降解曲线(见图6中NFe-7样品降解曲线)。
实施例8：
(1)在室温下用量筒分别量取17ml钛酸四丁酯和30ml无水乙醇加入到烧杯中，然后将混合后的溶液放置在磁力搅拌仪上搅拌约30min，直至看到溶液变成淡黄色，记为溶液A。
(2)再用量筒分别量取28.32ml无水乙醇、7.2ml蒸馏水、20ml冰醋酸、N含量为7at％的尿素和Fe含量为5at％的硫酸铁加入到烧杯中混合，得到溶液B。
(3)将溶液A的烧杯放置在磁力搅拌仪上，溶液B放置在滴定架上缓慢加入到溶液A中，搅拌约30min后得均匀透明的溶胶。
(4)将盛有溶胶的烧杯放置在密闭干燥的环境中，陈化24h，直至得到交联状的凝胶。
(5)将盛有凝胶的烧杯放置于电热鼓风干燥箱中，在100℃下进行干燥，直到溶剂完全挥发，变成干燥的块状粉末；
(6)将干燥后的块状粉末在陶瓷研钵中进行充分研磨，直至极其精细的粉末。
(7)将研磨后的细粉末置于箱式电阻炉中，设定煅烧温度为400℃，煅烧时间为2.5h，煅烧完毕后进行空冷，待冷却后取出，即可得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂NFe-8样品。
(8)将制备好的催化剂样品NFe-8放入到自主设计的平板式光催化反应系统中，检查系统的气密性完毕后，采用鼓泡法通入氨气，利用傅立叶红外光谱仪对氨气进行实时监测，保证稳定状态下氨气的浓度为160mg/m3，然后打开白炽灯对氨气进行可见光降解，收集45min的氨气数据，绘制氨气的降解曲线(见图6中NFe-8样品降解曲线)。
实施例9：
(1)在室温下用量筒分别量取17ml钛酸四丁酯和30ml无水乙醇加入到烧杯中，然后将混合后的溶液放置在磁力搅拌仪上搅拌约30min，直至看到溶液变成淡黄色，记为溶液A。
(2)再用量筒分别量取28.32ml无水乙醇、7.2ml蒸馏水、20ml冰醋酸、N含量为7at％的尿素和Fe含量为91at％的硫酸铁加入到烧杯中混合，得到溶液B。
(3)将溶液A的烧杯放置在磁力搅拌仪上，溶液B放置在滴定架上缓慢加入到溶液A中，搅拌约30min后得均匀透明的溶胶。
(4)将盛有溶胶的烧杯放置在密闭干燥的环境中，陈化24h，直至得到交联状的凝胶。
(5)将盛有凝胶的烧杯放置于电热鼓风干燥箱中，在100℃下进行干燥，直到溶剂完全挥发，变成干燥的块状粉末；
(6)将干燥后的块状粉末在陶瓷研钵中进行充分研磨，直至极其精细的粉末。
(7)将研磨后的细粉末置于箱式电阻炉中，设定煅烧温度为500℃，煅烧时间为2.5h，煅烧完毕后进行空冷，待冷却后取出，即可得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂NFe-9样品。
(8)将制备好的催化剂样品NFe-9放入到自主设计的平板式光催化反应系统中，检查系统的气密性完毕后，采用鼓泡法通入氨气，利用傅立叶红外光谱仪对氨气进行实时监测，保证稳定状态下氨气的浓度为160mg/m3，然后打开白炽灯对氨气进行可见光降解，收集45min的氨气数据，绘制氨气的降解曲线(见图6中NFe-9样品降解曲线)。
从图6可以看出，明显NFe-2号样品的降解效果最好，其最佳工艺参数为：氮含量为1％at，铁含量为5％at，煅烧温度为500℃。
Claims (8)
1.一种氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(A)在室温下将10～30ml钛酸四丁酯和20～40ml无水乙醇混合溶液在磁力搅拌下搅拌10～40min，得到淡黄色溶液A；
(B)将15～35ml无水乙醇、5～15ml蒸馏水、15～30ml冰醋酸和氮源与铁源进行充分混合，得到溶液B；
(C)将溶液B缓慢加入到溶液A中，并继续搅拌10～40min后得均匀透明的溶胶；
(D)将溶胶陈化10～40h得到胶体状的凝胶；
(F)将步骤(D)得到的凝胶置于50～200℃的电热鼓风干燥箱中进行干燥，直到溶剂完全挥发；
(G)将干燥后的凝胶进行充分研磨成粉体；
(H)将研磨后的粉体置于箱式电阻炉中，煅烧1～4h，冷却后即得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂。
2.根据权利要求1所述的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(A)中钛酸四丁酯为17ml，无水乙醇为30ml，搅拌时间为30min。
3.根据权利要求1所述的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(B)中无水乙醇为28.32ml，蒸馏水为7.2ml，冰醋酸为20ml；氮源为尿素，氮含量分别控制在该催化剂样品的1at％、4at％、7at％；铁源为硫酸铁，铁含量分别控制在该催化剂样品的1at％、5at％、9at％。
4.根据权利要求1所述的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(C)中搅拌时间为30min。
5.根据权利要求1所述的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(D)中溶胶的陈化时间为24h。
6.根据权利要求1所述的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(F)中干燥温度为100℃。
7.根据权利要求1所述的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(H)中煅烧时间为2.5h，煅烧温度分别选取400℃、500℃、600℃。
8.根据权利要求1所述的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，将步骤(H)制备好的氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂放入到平板式光催化反应系统中，通入氨气，在白炽灯下对氨气进行可见光降解；利用傅立叶变换红外光谱仪对氨气进行实时监测，收集50min的氨气数据，得到氨气的降解曲线；通过第一性原理的计算得到氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的电子态密度图，对其可见光光催化性能进行表征。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410336800.0A CN104107706A (zh) | 2014-07-15 | 2014-07-15 | 一种氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410336800.0A CN104107706A (zh) | 2014-07-15 | 2014-07-15 | 一种氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104107706A true CN104107706A (zh) | 2014-10-22 |
Family
ID=51704810
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410336800.0A Pending CN104107706A (zh) | 2014-07-15 | 2014-07-15 | 一种氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104107706A (zh) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104492469A (zh) * | 2014-12-04 | 2015-04-08 | 常州大学 | 一种铁氮掺杂二氧化钛复合光催化剂制备方法 |
| CN105435828A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-03-30 | 北京化工大学 | 一种Fe、N共掺杂二氧化钛介孔微球阵列可见光光催化剂及制备方法 |
| CN106478151A (zh) * | 2016-09-26 | 2017-03-08 | 西安交通大学 | 一种基于可见光利用的TiO2光催化瓷砖的制备方法 |
| CN106560230A (zh) * | 2016-06-03 | 2017-04-12 | 天津城建大学 | 基于铁氮掺杂二氧化钛的复合催化剂在一氧化氮光催化中的应用 |
| CN106560244A (zh) * | 2016-06-03 | 2017-04-12 | 天津城建大学 | 铁氮掺杂二氧化钛与中空碳的复合光催化剂及其制备方法 |
| CN107115882A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-09-01 | 赵兴亚 | 一种催化剂晶体的制备方法及其在催化降解有机废水中的用途 |
| CN107935269A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-04-20 | 山东大学 | 一种能回用混凝剂和光催化材料的泥水零排放的水处理工艺 |
| CN109999888A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-07-12 | 西北师范大学 | 铜和氮共掺杂修饰二氧化钛光催化剂的制备及降解甲苯的应用 |
| CN113854316A (zh) * | 2021-11-08 | 2021-12-31 | 辽宁大学 | 一种铁掺杂纳米二氧化钛抗菌剂及其制备方法和应用 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101475214A (zh) * | 2008-10-21 | 2009-07-08 | 浙江工业大学 | 一种掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体的制备方法 |
| JP2009178636A (ja) * | 2008-01-30 | 2009-08-13 | Tayca Corp | 可視光下で高い光触媒活性を示す酸化チタン光触媒およびその製造方法 |
| CN102285686A (zh) * | 2011-06-07 | 2011-12-21 | 西安交通大学 | 快速溶胶凝胶制备铁-氮共掺杂介孔纳米二氧化钛的方法 |
-
2014
- 2014-07-15 CN CN201410336800.0A patent/CN104107706A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009178636A (ja) * | 2008-01-30 | 2009-08-13 | Tayca Corp | 可視光下で高い光触媒活性を示す酸化チタン光触媒およびその製造方法 |
| CN101475214A (zh) * | 2008-10-21 | 2009-07-08 | 浙江工业大学 | 一种掺铁掺氮纳米二氧化钛粉体的制备方法 |
| CN102285686A (zh) * | 2011-06-07 | 2011-12-21 | 西安交通大学 | 快速溶胶凝胶制备铁-氮共掺杂介孔纳米二氧化钛的方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 李铮伟，等: "乙醛光催化降解的动力学研究", 《西安交通大学学报》, vol. 40, no. 7, 31 July 2006 (2006-07-31) * |
| 王山山，等: "制备条件对氮铁共掺杂二氧化钛可见光催化活性的影响", 《沈阳化工大学学报》, vol. 26, no. 2, 30 June 2012 (2012-06-30), pages 120 - 126 * |
| 陶金建，等: "二氧化钛的氮、氟和铁掺杂及其性能", 《工业催化》, vol. 19, no. 3, 31 March 2011 (2011-03-31), pages 49 - 54 * |
| 陶金建: "N、Fe双掺杂的纳米TiO2制备及其性能研究", 《功能材料》, vol. 42, no. 5, 31 December 2011 (2011-12-31) * |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104492469A (zh) * | 2014-12-04 | 2015-04-08 | 常州大学 | 一种铁氮掺杂二氧化钛复合光催化剂制备方法 |
| CN105435828A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-03-30 | 北京化工大学 | 一种Fe、N共掺杂二氧化钛介孔微球阵列可见光光催化剂及制备方法 |
| CN106560230A (zh) * | 2016-06-03 | 2017-04-12 | 天津城建大学 | 基于铁氮掺杂二氧化钛的复合催化剂在一氧化氮光催化中的应用 |
| CN106560244A (zh) * | 2016-06-03 | 2017-04-12 | 天津城建大学 | 铁氮掺杂二氧化钛与中空碳的复合光催化剂及其制备方法 |
| CN106560244B (zh) * | 2016-06-03 | 2019-08-27 | 天津城建大学 | 铁氮掺杂二氧化钛与中孔碳的复合光催化剂及其制备方法 |
| CN106560230B (zh) * | 2016-06-03 | 2019-08-27 | 天津城建大学 | 基于铁氮掺杂二氧化钛的复合催化剂在一氧化氮光催化中的应用 |
| CN106478151A (zh) * | 2016-09-26 | 2017-03-08 | 西安交通大学 | 一种基于可见光利用的TiO2光催化瓷砖的制备方法 |
| CN107115882A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-09-01 | 赵兴亚 | 一种催化剂晶体的制备方法及其在催化降解有机废水中的用途 |
| CN107115882B (zh) * | 2017-05-09 | 2018-09-14 | 赣州安益宏科技有限公司 | 一种催化剂晶体的制备方法及其在催化降解有机废水中的用途 |
| CN107935269A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-04-20 | 山东大学 | 一种能回用混凝剂和光催化材料的泥水零排放的水处理工艺 |
| CN109999888A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-07-12 | 西北师范大学 | 铜和氮共掺杂修饰二氧化钛光催化剂的制备及降解甲苯的应用 |
| CN113854316A (zh) * | 2021-11-08 | 2021-12-31 | 辽宁大学 | 一种铁掺杂纳米二氧化钛抗菌剂及其制备方法和应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104107706A (zh) | 一种氮-铁共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂的制备方法 | |
| CN110180570A (zh) | 四氧化三钴十二面体/氮化碳纳米片复合物及其在废气处理中的应用 | |
| CN103818887B (zh) | 具有不同形貌的g-C3N4光催化剂的制备方法 | |
| CN105195197A (zh) | 一种大比表面积-可见光响应TiO2催化剂及其制备方法 | |
| CN105562055A (zh) | 一种硫化镉-类石墨相氮化碳复合光催化剂的制备方法 | |
| CN108772093A (zh) | 一种高可见光活性石墨相氮化碳纳米片及其制备方法 | |
| CN109772421B (zh) | 一种提高可见光活性的C、N共掺杂TiO2光催化剂及其制备方法 | |
| CN104525182A (zh) | 多孔纳米结构的铈铌锑基复合颗粒光催化剂、制备及应用 | |
| CN104028292A (zh) | N-TiO2/C和N-TiO2及其制备方法 | |
| CN103962122A (zh) | 一种钒酸铋复合二氧化钛的制备方法 | |
| CN105148944A (zh) | 一种可见光催化剂及制备方法 | |
| CN102199371A (zh) | 一种光致超亲水自清洁涂料的制备方法 | |
| CN103288120A (zh) | 一种孔径可调纳米介孔CuAl2O4尖晶石的合成方法 | |
| CN106245092A (zh) | 一种黑色二氧化钛纳米管阵列的快速制备方法 | |
| CN105776311A (zh) | 一种氧化铜纳米材料的制备方法 | |
| CN105833890B (zh) | 可见光型复合光催化剂及其制备方法 | |
| CN104528814A (zh) | 一种层状结构CaTi2O4(OH)4菱形纳米片的制备方法及产品 | |
| CN105749983B (zh) | 一种Meso-四(4-甲氧基苯基)卟啉铜/Bi2WO6复合光催化剂及制备方法 | |
| CN111592027A (zh) | 高比表面积二氧化铈的制备方法 | |
| CN103920529A (zh) | 磁性CoFe2O4/MCM-41/TiO2复合材料的制备方法 | |
| CN106390736A (zh) | 一种利用半导体催化剂光热降解甲醛等大气有机污染物的方法 | |
| CN106379934A (zh) | 一种制备Ho2TiO5粉体的方法 | |
| CN106495500B (zh) | 一种制备中空钛酸钆管状材料的方法 | |
| CN106478151A (zh) | 一种基于可见光利用的TiO2光催化瓷砖的制备方法 | |
| CN105251473B (zh) | 一种结构可控的TiO2介孔类单晶微球‑石墨烯复合光催化剂、制备及应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20141022 |