CN104549402A - 一种氮氟掺杂的纳米光敏可见光催化剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种氮氟掺杂的纳米光敏可见光催化剂的制备方法，包括如下步骤：(1)水解：以有机钛源为原料，将含钛质量为10～20％的醇溶液，缓慢滴加到含有盐酸的去离子水中，形成无色透明的凝胶；(2)将硝酸镍、硝酸锌、氢氟酸、尿素配置成混合溶液，在剧烈搅拌的条件下加入到步骤(1)获得的溶液中,混合均匀后，于搅拌回流条件下，滴加浓度为10～40％的盐酸，得到无色透明溶胶；将所得溶胶倒入反应釜，生成微乳白色透明或者半透明的溶胶，在80-100℃下干燥；(3)将步骤(2)制备的干燥溶胶，粉碎后于400～500℃中焙烧4～8h得氮氟掺杂的纳米光敏可见光催化剂。

Description

一种氮氟掺杂的纳米光敏可见光催化剂的制备方法

技术领域

本发明涉及一种氮氟掺杂的纳米光敏可见光催化剂的制备方法。

背景技术

光催化技术是当今科学研究的热点，其应用范围十分广泛，如污水处理、空气净化、太阳能利用、抗菌、防雾和自清洁功能等。目前用作光催化剂的材料主要是一些半导体化合物。常见的有TiO2、ZnO、WO3、SnO2等氧化物，CdS、ZnS等硫化物以及CdSe等硒化物。其中TiO2因为具有无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好等优异特点，而成为最常使用的光催化剂，是一种非常有发展前途的污染治理材料。

二氧化钛作为重要的无机功能材料在现代工农业、国防和科技等诸多领域中被应用。自1972年发现二氧化钛光催化分解水制得氢以来，其光催化性能受到人们关注。二氧化钛有锐钛矿、金红石和板钛矿三种晶型，其中锐钛矿型的二氧化钛具有比无定型二氧化钛更高的光催化活性；它能够无选择地降解各类有机物，杀灭各种细菌病毒，同时具有抗腐蚀、性质稳定、无毒等优点，目前已在水、空气、土壤等污染的防治方面得到迅速的发展，并不断推广到实际应用中，产生巨大的社会和环境效益。

TiO2基光催化材料实用化的主要问题在于：TiO2禁带较宽(3.0～3.2eV)，光能利用率较低，对太阳光的吸收局限于紫外区，光能利用率不到5％。众所周知，照射到地表的可见光(波长400～750nm)的能量约为全体太阳光的43％，因此，开发能有效利用可见光的光催化材料对环保和节能都具有及其重要的意义。针对这一问题国内外研究人员做了大量的研究工作，发展了多种改性TiO2的方法，不同程度的拓展了TiO2的光响应范围，提高了其可见光催化活性。其中光敏化(无机敏化、有机敏化)和非金属离子(N、C、S、B等)掺杂被认为是最有前景的改性方法，已广泛应用于可见光催化降解有机污染和太阳能电池领域。

二氧化钛溶胶催化剂是一种在低温下合成的活性组分高度分散的水溶胶，与粉体二氧化钛催化剂比较，二氧化钛溶胶催化剂具有颗粒度小、比表面积高、与基体结合力强、催化活性高、容易涂装施工等重要的优点。溶胶二氧化钛光催化剂目前已广泛应用于家庭、医院、车站等室内污染气体的清除。

但是目前使用的二氧化钛溶胶还存在如下不足：1.溶胶中的二氧化钛纳米粒子多为无定型结构，这种结构的催化活性较低；2.虽然催化剂在紫外光照射下具有较好的活性，但是可见光活性较低。

为了探索具有更好的催化活性的光催化溶胶，近年来许多研究者都在努力制备具有更好的催化活性(特别是具有可见光催化活性)的光催化剂溶胶。中国发明专利申请00110406.3公开了一种制备二氧化钛溶胶的方法，以四氯化钛为原料，在碱溶液中水解得二氧化钛沉淀，沉淀洗涤后加酸解胶制得溶胶；这种方法得到的溶胶中二氧化钛主要以无定型为主，因而光催化活性较低。中国发明专利申请00127951.3公开了另一种制备二氧化钛溶胶的方法，以含钛无机盐经水解制得二氧化钛无定型沉淀、以无机酸作为解胶剂，通过改变无机酸的浓度以及解胶的温度和时间来控制二氧化钛粒子的晶化度；该方法可以得到具有一定锐钛矿型的二氧化钛溶胶，但晶化程度较低；此外该法制备的二氧化钛溶胶在可见光区无吸收，故而可见光利用率低。中国发明专利申请200510039171.6和200510012123.8分别采用水热及回流的方法来提高锐钛矿型二氧化钛溶胶的晶化度，但同样存在着对可见光的利用率低的问题。一些研究者也尝试在溶胶催化剂中掺入其他元素，以提高催化剂的催化活性，但是掺入的元素多为过渡金属元素和稀土元素，如中国发明专利申请200410029904.3和200410077615.0公开了掺杂过渡金属及稀土元素的溶胶的制备方法。掺杂过渡金属和稀土元素后，催化剂的能带结构发生变化，其可见光催化活性得到明显的提高。但这些方法制得的溶胶催化剂中TiO2粒子的晶化度较低，可见光活性也远远达不到人们所期待的水平。

发明内容

本发明的目的在于提出一种氮氟掺杂的纳米光敏可见光催化剂的制备方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种氮氟掺杂的纳米光敏可见光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)水解：以有机钛源为原料，将含钛质量为10～20％的醇溶液，缓慢滴加到含有盐酸的去离子水中，剧烈的搅拌，至形成无色透明的凝胶；所述醇为碳原子数少于4的一元或二元醇；所述有机钛源为有机钛酸酯，包括钛酸丁酯、钛酸异丙酯、钛酸丙酯或钛酸乙酯

(2)将硝酸镍、硝酸锌、氢氟酸、尿素配置成混合溶液，在剧烈搅拌的条件下加入到步骤(1)获得的溶液中，加入的量按照摩尔比硝酸镍：硝酸锌：氢氟酸：尿素：钛元素＝0.5～1∶0.1～0.5∶0.2～0.4∶10～20∶1-2；混合均匀后，于搅拌回流条件下，滴加浓度为10～40％的盐酸，调节pH为1.0～3.5，得到无色透明溶胶；将所得溶胶倒入反应釜，于120～200℃进行水热晶化24-48小时后，生成微乳白色透明或者半透明的溶胶，在80-100℃下干燥；

(3)、将步骤(2)制备的干燥溶胶，粉碎后于400～500℃中焙烧4～8h得氮氟掺杂的纳米光敏可见光催化剂。

发明的纳米金属氧化物光催化剂通过调变前驱体元素的组成和含量使催化剂有效的被可见光激发，并保持高效稳定的可见光活性，将催化剂的应用拓展到可见光区域。

本发明的光催化剂能有效利用太阳光中的可见光对空气、废水、地表水及饮用水中有机污染物的光催化处理，同时制造工艺简单、成本较低，促进光催化反应进一步推向实用化。

本发明不仅从掺杂的角度是二氧化钛的光催化活性向可见光移动，而且也通过光敏物质的结合而是催化剂具有了光敏性，有力的提高了其适用范围和催化活性。

具体实施方式

实施例1

(1)水解：以有机钛源为原料，将含钛质量为20％的醇溶液，缓慢滴加到含有盐酸的去离子水中，剧烈的搅拌，至形成无色透明的凝胶；所述醇为乙醇；所述有机钛源为有机钛酸酯，钛酸异丙酯；

(2)将硝酸镍、硝酸锌、氢氟酸、尿素配置成混合溶液，在剧烈搅拌的条件下加入到步骤(1)获得的溶液中，加入的量按照摩尔比硝酸镍：硝酸锌：氢氟酸：尿素：钛元素＝1∶0.5∶0.4∶10∶1；混合均匀后，于搅拌回流条件下，滴加浓度为40％的盐酸，调节pH为3.5，得到无色透明溶胶；将所得溶胶倒入反应釜，于200℃进行水热晶化48小时后，生成微乳白色透明或者半透明的溶胶，在100℃下干燥；

(3)、将步骤(2)制备的干燥溶胶，粉碎后于500℃中焙烧8h得氮氟掺杂的纳米光敏可见光催化剂。

实施例2

(1)水解：以有机钛源为原料，将含钛质量为10％的醇溶液，缓慢滴加到含有盐酸的去离子水中，剧烈的搅拌，至形成无色透明的凝胶；所述醇丙醇；所述有机钛源为钛酸异丙酯；

(2)将硝酸镍、硝酸锌、氢氟酸、尿素配置成混合溶液，在剧烈搅拌的条件下加入到步骤(1)获得的溶液中，加入的量按照摩尔比硝酸镍：硝酸锌：氢氟酸：尿素：钛元素＝0.5∶0.1∶0.4∶10∶2；混合均匀后，于搅拌回流条件下，滴加浓度为40％的盐酸，调节pH为1.0，得到无色透明溶胶；将所得溶胶倒入反应釜，于120℃进行水热晶化48小时后，生成微乳白色透明或者半透明的溶胶，在100℃下干燥；

(3)、将步骤(2)制备的干燥溶胶，粉碎后于500℃中焙烧8h得氮氟掺杂的纳米光敏可见光催化剂。

实施例3

(1)水解：以有机钛源为原料，将含钛质量为15％的醇溶液，缓慢滴加到含有盐酸的去离子水中，剧烈的搅拌，至形成无色透明的凝胶；所述醇乙二醇；所述有机钛源为钛酸丙酯；

(2)将硝酸镍、硝酸锌、氢氟酸、尿素配置成混合溶液，在剧烈搅拌的条件下加入到步骤(1)获得的溶液中，加入的量按照摩尔比硝酸镍：硝酸锌：氢氟酸：尿素：钛元素＝1∶0.1∶0.4∶10∶1；混合均匀后，于搅拌回流条件下，滴加浓度为10％的盐酸，调节pH为2，得到无色透明溶胶；将所得溶胶倒入反应釜，于120℃进行水热晶化48小时后，生成微乳白色透明或者半透明的溶胶，在80℃下干燥；

(3)、将步骤(2)制备的干燥溶胶，粉碎后于450℃中焙烧6h得氮氟掺杂的纳米光敏可见光催化剂。

实施例4

(1)水解：以有机钛源为原料，将含钛质量为15％的醇溶液，缓慢滴加到含有盐酸的去离子水中，剧烈的搅拌，至形成无色透明的凝胶；所述醇为甲醇；所述有机钛源为钛酸乙酯；

(2)将硝酸镍、硝酸锌、氢氟酸、尿素配置成混合溶液，在剧烈搅拌的条件下加入到步骤(1)获得的溶液中，加入的量按照摩尔比硝酸镍：硝酸锌：氢氟酸：尿素：钛元素＝0.5∶0.1∶0.3∶15∶1；混合均匀后，于搅拌回流条件下，滴加浓度为10％的盐酸，调节pH为2.5，得到无色透明溶胶；将所得溶胶倒入反应釜，于120℃进行水热晶化48小时后，生成微乳白色透明或者半透明的溶胶，在80℃下干燥；

(3)、将步骤(2)制备的干燥溶胶，粉碎后于450℃中焙烧8h得氮氟掺杂的纳米光敏可见光催化剂。

Claims (1)

1.一种氮氟掺杂的纳米光敏可见光催化剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)水解：以有机钛源为原料，将含钛质量为10～20％的醇溶液，缓慢滴加到含有盐酸的去离子水中，剧烈的搅拌，至形成无色透明的凝胶；所述醇为碳原子数少于4的一元或二元醇；所述有机钛源为有机钛酸酯，包括钛酸丁酯、钛酸异丙酯、钛酸丙酯或钛酸乙酯；

(2)将硝酸镍、硝酸锌、氢氟酸、尿素配置成混合溶液，在剧烈搅拌的条件下加入到步骤(1)获得的溶液中，加入的量按照摩尔比硝酸镍：硝酸锌：氢氟酸：尿素：钛元素＝0.5～1∶0.1～0.5∶0.2～0.4∶10～20∶1-2；混合均匀后，于搅拌回流条件下，滴加浓度为10～40％的盐酸，调节pH为1.0～3.5，得到无色透明溶胶；将所得溶胶倒入反应釜，于120～200℃进行水热晶化24-48小时后，生成微乳白色透明或者半透明的溶胶，在80-100℃下干燥；

(3)、将步骤(2)制备的干燥溶胶，粉碎后于400～500℃中焙烧4～8h得氮氟掺杂的纳米光敏可见光催化剂。