CN105013469B - 异质结二氧化钛/钛酸镁钠光催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异质结二氧化钛/钛酸镁钠光催化剂及其制备方法，该异质结光催化剂是采用水热法，以MgO、TiO2、NaOH为原料，通过调节混合液中MgO的浓度，在300～320℃下反应制备而成。本发明制备方法简单，所得光催化剂均一性和分散性好，其中TiO2和Na0.9Mg0.45Ti3.55O8实现晶格层面的匹配，形成异质结，异质结的形成对催化过程中光生电子‑空穴对的复合起到很好的抑制作用，延长了电子‑空穴对的寿命，进而大幅提高复合物的光催化活性，其应用于处理工业废水中常见的有机染料罗丹明B，显示出降解快速和彻底的优异性质，与纯物质Na0.9Mg0.45Ti3.55O8相比，催化活性明显增强。
Description
技术领域
本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂及其制备方法。
背景技术
半导体材料钛酸镁钠(Na0.9Mg0.45Ti3.55O8)是1989年通过高温固相合成，即先将MgO和TiO2在1000～1200℃下反应制备成MgTiO3和MgTiO5，然后将MgTiO3、MgTiO5、Na2CO3三种物质在800～1000℃加热3～5小时，制备成Na0.9Mg0.45Ti3.55O8。该方法反应温度高、反应时间长，且制备的Na0.9Mg0.45Ti3.55O8晶体粒度较大、纯度低，提纯难度大。
公开号为CN104084184A中国发明专利申请中提供了一种水热法制备半导体Na0.9Mg0.45Ti3.55O8的方法，反应条件较高温固相法温和且反应时间短，该材料用于光催化降解亚甲基蓝染料和玫瑰红B的催化活性较商用二氧化钛P25提高了3倍左右。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种催化活性好、能级匹配成功的新型异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂，以及该光催化剂的制备方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是该异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂由下述方法制备得到：
将MgO、TiO2、NaOH加入去离子水中，混合均匀，所得混合液中NaOH的浓度为1mol/L、TiO2的浓度为0.059mol/L、MgO的浓度为0.019～0.042mol/L，在密闭条件下，300～320℃水热反应60～120分钟，所得产物用去离子水和无水乙醇洗涤至中性，干燥，得到异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂。
本发明进一步优选：将MgO、TiO2、NaOH加入去离子水中，混合均匀，所得混合液中NaOH的浓度为1mol/L、TiO2的浓度为0.059mol/L、MgO的浓度为0.030mol/L，在密闭条件下，300℃水热反应60分钟，所得产物用去离子水和无水乙醇洗涤至中性，干燥，得到异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂。
本发明的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂采用水热法制备而成，制备方法简单，所得光催化剂均一性和分散性好，其中TiO2和Na0.9Mg0.45Ti3.55O8实现了晶格层面结合，形成完美的异质结，异质结的形成对催化过程中光生电子-空穴对的复合起到很好的抑制作用，延长了电子-空穴对的寿命，进而大幅提高复合物的光催化活性，其应用于处理工业废水中常见的有机染料罗丹明B，显示出降解快速和彻底的优异性质，与纯物质Na0.9Mg0.45Ti3.55O8相比，催化活性明显增强。应用性得到很大提高，为处理工业废水、净化环境提供一种优异候选材料。
附图说明
图1是实施例1～3制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂的XRD图。
图2是实施例1制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂的扫描电镜图。
图3是实施例2制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂的扫描电镜图。
图4是实施例3制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂的扫描电镜图。
图5是实施例1制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂的异质结扫描电镜图。
图6是实施例1制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂的异质结透射电镜图。
图7是实施例1制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂在紫外-可见光照射下降解罗丹明B的吸收谱图。
图8是实施例1～3制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂及纯物质Na0.9Mg0.45Ti3.55O8在紫外-可见光照射下降解罗丹明B的降解溶液浓度与时间的关系图。
图9是实施例1～3制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂及纯物质Na0.9Mg0.45Ti3.55O8在紫外-可见光照射下降解罗丹明B的-ln(C/C0)相对时间的关系图。
图10是实施例1～3制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂及纯物质Na0.9Mg0.45Ti3.55O8在紫外-可见光照射下降解罗丹明B的降解速率柱状图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
将0.147g MgO、5.787g TiO2、5.000g NaOH分散于120mL去离子水中，磁力搅拌均匀，所得混合液中NaOH的浓度为1mol/L、TiO2的浓度为0.059mol/L、MgO的浓度为0.030mol/L，将所得混合液移至反应釜中，密封，在机械搅拌下，300℃水热反应60分钟，所得产物用去离子水和无水乙醇洗涤数次至中性，60℃干燥，得到异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂。
实施例2
将0.092g MgO、5.787g TiO2、5.000g NaOH分散于120mL去离子水中，磁力搅拌均匀，所得混合液中NaOH的浓度为1mol/L、TiO2的浓度为0.059mol/L、MgO的浓度为0.019mol/L，将所得混合液移至反应釜中，密封，在机械搅拌下，300℃水热反应60分钟，所得产物用去离子水和无水乙醇洗涤数次至中性，60℃干燥，得到异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂。
实施例3
将0.203g MgO、5.787g TiO2、5.000g NaOH分散于120mL去离子水中，磁力搅拌均匀，所得混合液中NaOH的浓度为1mol/L、TiO2的浓度为0.059mol/L、MgO的浓度为0.042mol/L，将所得混合液移至反应釜中，密封，在机械搅拌下，300℃水热反应60分钟，所得产物用去离子水和无水乙醇洗涤数次至中性，60℃干燥，得到异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂。
采用日本理学D/Max2550diffractometer型X射线衍射仪、美国FEI公司NovaNanoSEM-450型场发射扫描电镜和FEI Tecnai G20型透射电镜对实施例1～3制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂进行结构表征，结果见图1～6。由图1可见，随着原料中MgO用量的减少，所合成产物中TiO2所占比重呈有规律的增加。图2～5中，纳米片状结构的物质是Na0.9Mg0.45Ti3.55O8，生长在片状结构上的纳米颗粒为TiO2，表明异质结的形成。图6从微观结构进一步证明TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8中异质结的形成，透射电镜图像中晶格条纹清晰可见，其中晶面间距d＝0.616nm对应复合物中Na0.9Mg0.45Ti3.55O8的(001)晶面，而晶面间距d＝0.356、0.192nm分别为复合物中锐钛矿TiO2的(101)、(200)晶面，所形成的异质结出现明显的晶格突变区和清晰的异质结晶界界面。
为了证明本发明的有益效果，发明人将实施例1～3制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂用于光催化降解碱性有机染料玫瑰红B，染料浓度为10mg/L，使用光源为400W的金卤灯(紫外可见光源)，同时以CN104084184A中公开的纯物质Na0.9Mg0.45Ti3.55O8做对比。试验结果见图7～10。
由图7可见，在紫外可见光照射下，实施例1制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂在15分钟的时间内可以将染料玫瑰红B彻底降解，且在降解过程中出现的特征峰蓝移现象进一步表明是一种彻底的催化氧化降解，不是染料暂时消失的吸附过程。由图8～9中数据可知，本发明实施例1～3制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂中的催化活性相对纯物质Na0.9Mg0.45Ti3.55O8有很大的提高，其中实施例1制备的异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂的催化速率是纯物质Na0.9Mg0.45Ti3.55O8的5.2倍。
Claims (2)
1.一种异质结二氧化钛/钛酸镁钠光催化剂，其特征在于它由下述方法制备得到：将MgO、TiO2、NaOH加入去离子水中，混合均匀，所得混合液中NaOH的浓度为1mol/L、TiO2的浓度为0.059mol/L、MgO的浓度为0.019～0.042mol/L，在密闭条件下，300～320℃水热反应60～120分钟，所得产物用去离子水和无水乙醇洗涤至中性，干燥，得到异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂。
2.根据权利要求1所述的异质结二氧化钛/钛酸镁钠光催化剂，其特征在于它由下述方法制备得到：将MgO、TiO2、NaOH加入去离子水中，混合均匀，所得混合液中NaOH的浓度为1mol/L、TiO2的浓度为0.059mol/L、MgO的浓度为0.030mol/L，在密闭条件下，300℃水热反应60分钟，所得产物用去离子水和无水乙醇洗涤至中性，干燥，得到异质结TiO2/Na0.9Mg0.45Ti3.55O8光催化剂。
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