CN105195197A - 一种大比表面积-可见光响应TiO2催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大比表面积-可见光响应的TiO2催化剂及其制备方法,属于光催化技术领域。本发明的催化剂是以Ti-MOF(MIL-125(Ti)-NH2)为自模板在一定比例的氧气和氮气的气氛(氧气:氮气=1:5~1:10)下煅烧合成大比表面积且N自掺杂TiO2多面体。通过这种模板法,很好地复制了MOF的形貌,并且微孔结构很大的提高了TiO2的比表面积,比表面积达262.3m2/g,且对MOF配体的调控,可以对TiO2进行N、F、S元素掺杂,以提高TiO2的可见光光催化性能。
Description
技术领域
本发明属于能源环境中的光催化技术领域,具体涉及一种大比表面积-可见光响应TiO2催化剂及其制备方法。
背景技术
环境和能源问题是制约当今社会发展的两大问题,半导体光催化技术利用太阳能作为反应的驱动,有效降低能耗,并且因其反应条件温和,无二次污染等优点成为解决这两大问题的理想途径。光催化技术的核心在于光催化剂。在各种材料中,纳米TiO2以其价廉、无毒、稳定性高、催化性能好,能再循环利用等优点,得到了广泛关注。但是由于TiO2的禁带宽度较宽,只能被紫外光激发,而太阳光中紫外光的能量不到总能量的5%,而能量较低的可见光占总能量的大部分,量子效率低。
针对以上缺陷,为了提高传统光催化剂的催化性能和对能量的利用率,研究者们做了大量的研究,通过元素的掺杂,提高比表面积,光敏化,贵金属负载等多种方法对催化剂进行了一系列的改性研究。元素掺杂可以通过轨道的杂化有效的改变催化剂的导带位置。并且大量的研究也表明了催化剂的组成、结构、形貌、尺寸对其性能有很大的影响,所以对光催化材料的形貌调控也是近年研究的热点。利用金属框架有机化合物(MOFs)为前驱体,通过煅烧得到其对应的金属氧化物有可能复制MOFs自身的形貌,MOFs自身可以作为模板,通过调节氮气与氧气比例,升温速率,加热温度和时间,以调控的TiO2的形貌和比表面积。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种大比表面积-可见光响应TiO2催化剂及其制备方法。本发明提供的制备方法既加大了TiO2的比表面积,又可以对TiO2进行氮掺杂,极大的提高了TiO2可见光光催化活性;经该方法制得的TiO2催化剂其比表面积可达262.3m2/g。
一种大比表面积-可见光响应TiO2催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)MIL-125(Ti)-NH2的制备;
(2)N自掺杂TiO2多面体的制备:以MIL-125(Ti)-NH2为前驱体,置于管式炉的石英管中部煅烧,并持续通氮气和氧气,升温至500~600℃,恒温保温时间1~5小时,然后降温冷却,制得N掺杂的TiO2多面体。
步骤(1)具体为:将2-氨基对苯二甲酸分散在N,N-二甲基甲酰胺和无水甲醇中,搅拌至溶质充分溶解分散后,用移液枪移取钛酸四丁酯加入反应釜,继续搅拌,装釜后置于烘箱中反应,自然冷却,用无水甲醇洗涤,离心,再将所得样品置于60℃真空烘箱烘干,所得黄色样品即为MIL-125(Ti)-NH2。
步骤(2)中氧气和氮气的体积比为:1:5~1:10。
步骤(2)中升温速率为1~3℃/min;降温速率为1~5℃/min。
一种如上所述的制备方法制得的大比表面积-可见光响应TiO2催化剂,其比表面积能达262.3m2/g,N掺杂量为7~8wt%。
通过本发明的方法还能对TiO2进行F、S元素的自掺杂。
本发明的显著优点在于:
1)本发明解决了现有技术中TiO2禁带宽度大、不吸收可见光的弱点等问题,通过以Ti-MOF为自模板在一定比例的氧气和氮气的气氛下煅烧合成超大比表面积N自掺杂TiO2多面体;比表面高达262.3m2/g;并且具有较好的可见光光催化性能,无论是降解有机污染物,还是在可见光光解水产氢,远远高于P25和传统法制备的N掺杂TiO2;
2)本发明通过调节催化剂制备过程中氮气和氧气的比例,管式炉的升温速率、煅烧温度和时间、降温速率等,可有效地调控TiO2的形貌和元素掺杂;极大地提高了TiO2的可见光光催化性能。
说明书附图
图1是实施例1制得的TiO2的X射线衍射(XRD)图;
图2是实施例1制得的TiO2的紫外-可见漫反射图;
图3是实施例1制得的TiO2的EDX图。
图4是实施例1制得的TiO2的扫描电镜图;
图5是实施例1制得的TiO2氮气吸附-脱附曲线图;
图6是实施例1制得的TiO2可见光光催化降解罗丹明B活性图;
图7是实施例1制得的TiO2可见光光解水产氢活性图。
具体实施方式
以下是本发明的几个实施实例,进一步说明本发明,但是本发明不仅限于此。
一种大比表面积-可见光响应TiO2催化剂的制备方法,具体步骤为:
(1)MIL-125(Ti)-NH2的制备方法为:称取2-氨基对苯二甲酸(1.2g)分散在36mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)和无水甲醇(4mL)中,搅拌30min待溶质充分溶解分散后,然后用移液枪移取钛酸四丁酯(1.2mL)加入反应釜,继续搅拌30min,装釜后置于150℃烘箱中反应72h,自然冷却,用无水甲醇多次交换洗涤,离心,再将所得样品置于60℃真空烘箱烘干,所得黄色样品即为MIL-125(Ti)-NH2;
(2)以合成出来的MIL-125(Ti)-NH2为前驱体,称取一定量前驱体置管式炉的石英管中部,并持续通氮气和氧气,锻烧到一定温度,得到N掺杂TiO2;通过调节氮气与氧气比例,升温速率,加热温度和时间,以调控TiO2的形貌和比表面积。
实施例1
1)称取2-氨基对苯二甲酸(1.2g)分散在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(36mL)和无水甲醇中(4mL),搅拌30min待溶质充分溶解分散后,然后用移液枪移取钛酸四丁酯(1.2mL)加入反应釜,继续搅拌30min,装釜后置于150℃烘箱中反应72h,自然冷却,用无水甲醇多次交换洗涤,离心,再将所得样品置于60℃真空烘箱烘干,所得黄色样品即为MIL-125(Ti)-NH2;
2)将所得样品置于管式炉的石英管中部煅烧,持续通氮气和氧气,氮气流速为50ml/min,氧气流速为5ml/min,煅烧温度为500℃,升温速率为1℃每分钟,恒温保温时间3小时,煅烧后产物随炉降温冷却,降温速率为3℃每分钟,冷却至室温25℃;得到淡黄色样品;图1展示了本发明的可见光催化剂TiO2的X射线衍射(XRD)图,从图中可以发现制备的TiO2为纯相锐钛矿型的TiO2;图2展示了本发明的可见光催化剂TiO2的与商品化TiO2(P25)紫外-可见漫反射图,从图中可看到与P25相比本实验所得的吸收带边向可见光拓展;图3为样品的EDX图,从图中可以证明本发明的可见光催化剂TiO2含有Ti、O、N和C,掺N量约为7.7wt%,更进一步说明制备的TiO2在可见光有响应。从图4可以看出本发明制得的样品是多面体,利用氮气吸附-脱附测试对样品的孔结构和比表面积进行分析;如图5所示,本发明制得的样品的等温线符合Ⅰ型吸附特征,表明样品具有微孔结构,且样品的比表面积为262.3m2/g,大的比表面积可以提供更多的吸附位和活性位,有助于提高TiO2的光催化活性。
实施例2
1)称取2-氨基对苯二甲酸(1.2g)分散在DMF(36mL)和无水甲醇(4mL)中,搅拌30min待溶质充分溶解分散后,然后用移液枪移取钛酸四丁酯(1.2mL)加入反应釜,继续搅拌30min,装釜后置于150℃烘箱中反应72h,自然冷却,用无水甲醇多次交换洗涤,离心,再将所得样品置于60℃真空烘箱烘干,所得黄色样品即为MIL-125(Ti)-NH2;
2)将所得样品置于管式炉的石英管中部煅烧,持续通氮气和氧气,氮气流速为50ml/min,氧气流速为10ml/min,煅烧温度为550℃,升温速率为1℃每分钟,恒温保温时间3小时,煅烧后产物随炉降温冷却,降温速率为3℃每分钟,冷却至室温25℃,得到淡黄色样品。
实施例3
1)称取2-氨基对苯二甲酸(1.2g)分散在DMF(36mL)和无水甲醇(4mL)中,搅拌30min待溶质充分溶解分散后,然后用移液枪移取钛酸四丁酯(1.2mL)加入反应釜,继续搅拌30min,装釜后置于150℃烘箱中反应72h,自然冷却,用无水甲醇多次交换洗涤,离心,再将所得样品置于60℃真空烘箱烘干,所得黄色样品即为MIL-125(Ti)-NH2;
2)将所得样品置于管式炉的石英管中部煅烧,持续通氮气和氧气,氮气流速为50ml/min,氧气流速为5ml/min,煅烧温度为600℃,升温速率为1℃每分钟,恒温保温时间3小时,煅烧后产物随炉降温冷却,降温速率为3℃每分钟,冷却至室温25℃,得到淡黄色样品。
应用实施例1
可见光催化剂TiO2降解罗丹明B:
将实施例1得到的TiO2粉末用作光催化剂降解罗丹明B,称取80mg样品加入80mLRhB溶液(20ppm),避光搅拌1h,使RhB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20min取3mL反应液,经离心分离后,上清液用Cary-500型分光光度计检测;根据样品554nm处吸光值来确定降解过程中RhB浓度变化,反应的光源为氙灯,使用滤光片以保证入射光为可见光(400nm<λ<800nm);RhB的降解情况如图6所示,从图上可以看出在没有加催化剂时,罗丹明B基本不降解,而加入本发明合成的TiO2催化剂时,罗丹明B在光照180min后基本完全降解,与P25相比,本发明合成的TiO2催化剂具有较高的可见光的光催化性能。
应用实施例2
可见光催化剂TiO2光解水产氢:
将实施例1得到的TiO2粉末用作光催化剂在可见光下分解水产氢,利用北京泊菲莱公司生产的制氢装置评价催化剂的光解水制氢性能;称取所得样品50mg加入到水(72mL)和甲醇(8mL)溶液中,并加入1wt%的Pt作为共催化剂,混合均匀后转移到光解水装置中,搅拌,抽真空至完全除去体系中的空气,然后在可见光(λ≥400nm)照射下开始反应,其中入射光的波长利用滤光片(截止型)控制;反应体系的温度由冷凝系统控制维持在10±1℃,每隔2小时取样,通过旋转在线采集面板阀使载气进入定量环,将产生的氢气带入气相色谱分析;光解水产氢的情况如图7所示,从图中可以看出用本文的方法制备的TiO2样品有较高的可见光光解水产氢活性,可见光光照6小时后氢气的产量达到1350μmol·g-1,远远高于传统法制备的N掺杂TiO2(标记为N-dopedTiO2)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明涵盖范围。
Claims (6)
1.一种大比表面积-可见光响应TiO2催化剂的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)MIL-125(Ti)-NH2的制备;
(2)N自掺杂TiO2多面体的制备:以MIL-125(Ti)-NH2为前驱体,置于管式炉的石英管中部煅烧,并持续通氮气和氧气,升温至500~600℃,恒温保温时间1~5小时,然后降温冷却,制得N掺杂的TiO2多面体。
2.根据权利要求1所述的大比表面积-可见光响应TiO2催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)具体为:将2-氨基对苯二甲酸分散在N,N-二甲基甲酰胺和无水甲醇中,搅拌至溶质充分溶解分散后,用移液枪移取钛酸四丁酯加入反应釜,继续搅拌,装釜后置于烘箱中反应,自然冷却,用无水甲醇洗涤,离心,再将所得样品置于60℃真空烘箱烘干,所得黄色样品即为MIL-125(Ti)-NH2。
3.根据权利要求1所述的大比表面积-可见光响应TiO2催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(2)中氧气和氮气的体积比为:1:5~1:10。
4.根据权利要求1所述的大比表面积-可见光响应TiO2催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(2)中升温速率为1~3℃/min;降温速率为1~5℃/min。
5.一种如权利要求1所述的制备方法制得的大比表面积-可见光响应TiO2催化剂,其特征在于:比表面积能达262.3m2/g。
6.一种如权利要求1所述的制备方法制得的大比表面积-可见光响应TiO2催化剂,其特征在于:TiO2是N掺杂的,掺杂量为7~8wt%。
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