CN107876038B - 一种Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法，以密堆积排列的PS微球为模板、以Ag纳米粒子为诱导物、以钛酸丁酯溶液为前驱体的方法制备Ag纳米粒子诱导的具有反蛋白石结构的TiO2双相同质结光催化剂。本发明具有原料廉价易得，制备过程简单新颖，产物形貌可控，得到的样品呈现三维有序介孔的反蛋白石结构，这种结构可以周期性调节光的传递，提高材料对入射光的吸收，进而增强光催化性能。
Description
技术领域
本发明涉及属于光催化剂制备技术领域，尤其涉及一种Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法。
背景技术
具有同质结结构的光催化剂，因其内部可以产生内建电场，从而有效地加快光生电子-空穴在界面的转移速率，阻止光生载荷子的复合，因此具有同质结结构的材料在电、磁、吸附和催化等物理和化学领域具有很大的应用前景。
TiO2作为一种环境友好型的多功能材料，因其经济、高效、无毒被广泛应用于光解水、有机物合成、水中污染物降解、太阳能电池、气体传感器等领域。因此制备TiO2同质结光催化剂具有很大的应用前景。此外，金属纳米粒子具有光化学、光伏、光电子性质以及催化等多种活性，被广泛地应用于生产生活中的各个领域。由于贵金属较其他金属具有更高的催化活性和选择性，因此半导体材料负载贵金属可以进一步提高半导体材料的光催化活性。相比其它贵金属，Ag成本低，且其局域表面等离子效应能够显著增强催化剂对可见光的吸收能力，因而备受研究者青睐。
近年来，从控制材料的结构出发，制备具有特殊空间结构的纳米材料已经引起人们的注意，且对TiO2形貌-活性的关系研究做了大量工作。TiO2反蛋白石结构是一种由TiO2骨架和直径相同的空心球构成的三维有序大孔材料，空心球呈面心立方排列且彼此连通。相比于传统的TiO2光催化剂，反蛋白石结构具有多重散射的特点，能够使光被多次吸收，有利于提高光吸收效率。此外，其有序的三维结构有利于电子的传输和转移，大大阻碍了光生电子和空穴的复合，因而在光催化领域受到关注。
在之前报道的制备双相贵金属修饰的双相同质结都是采用两步或者多步法，步骤繁琐且制备的样品形貌无规则。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法，采用一步焙烧法，制备工艺简单，解决上述技术问题。
一种Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法，以密堆积排列的PS微球为模板、以Ag纳米粒子为诱导物、以钛酸丁酯溶液为前驱体的方法制备Ag纳米粒子诱导的具有反蛋白石结构的TiO2双相同质结光催化剂。
本发明的Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法采用以下技术方案：
（1）13.5mL苯乙烯和0.7g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，搅拌15分钟后，加入0.15-0.3g过硫酸钾和0.3-0.5g硝酸银，通氮气30min排除空气后，升温至70℃反应24小时。反应结束后将一块洁净的玻璃片插入至含有PS球的水溶液中，置于干燥箱中45℃下自然蒸发4-7天，
（2）10mL钛酸丁酯溶于10mL无水乙醇中，随后加入1mL硝酸。搅拌1小时后，将生长PS球的玻璃片浸入钛酸丁酯溶液中，浸泡30-90分钟后将玻璃片取出，自然条件下干燥1小时，
（3）将干燥好的玻璃片置于管式炉中,在空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至400-600℃并在该温度下焙烧2-5小时，即可得到具有反蛋白石结构的TiO2双相同质结光催化剂。
本发明与现有技术对比的有益效果是：本发明具有原料廉价易得，制备过程简单新颖，产物形貌可控，得到的样品呈现三维有序介孔的反蛋白石结构，这种结构可以周期性调节光的传递，提高材料对入射光的吸收，进而增强光催化性能。
附图说明
图1为反蛋白石结构的TiO2双同质结光催化剂样品的XRD谱图。
图2为反蛋白石结构的TiO2双相同质结光催化剂样品的SEM图片。
图3为反蛋白石结构的TiO2双相同质结光催化剂样品的(a) TEM和(b) HR-TEM图片。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法采用以下技术方案：
13.5mL苯乙烯和0.7g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，搅拌15分钟后，加入0.15g过硫酸钾和0.3g硝酸银，通氮气30min排除空气后，升温至70℃反应24小时。反应结束后将一块洁净的玻璃片插入至含有PS球的水溶液中，置于干燥箱中45℃下自然蒸发4-7天。10mL钛酸丁酯溶于10mL无水乙醇中，随后加入1mL硝酸。搅拌1小时后，将生长PS球的玻璃片浸入钛酸丁酯溶液中，浸泡30分钟后将玻璃片取出，自然条件下干燥1小时。将干燥好的玻璃片置于管式炉中,在空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至550℃并在该温度下焙烧3小时。
实施例2：Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法采用以下技术方案：
13.5mL苯乙烯和0.7g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，搅拌15分钟后，加入0.2g过硫酸钾和0.4g硝酸银，通氮气30min排除空气后，升温至70℃反应24小时。反应结束后将一块洁净的玻璃片插入至含有PS球的水溶液中，置于干燥箱中45℃下自然蒸发4-7天。10mL钛酸丁酯溶于10mL无水乙醇中，随后加入1mL硝酸。搅拌1小时后，将生长PS球的玻璃片浸入钛酸丁酯溶液中，浸泡30分钟后将玻璃片取出，自然条件下干燥1小时。将干燥好的玻璃片置于管式炉中,在空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至550℃并在该温度下焙烧3小时。
实施例3：Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法采用以下技术方案：
13.5mL苯乙烯和0.7g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，搅拌15分钟后，加入0.3g过硫酸钾和0.5g硝酸银，通氮气30min排除空气后，升温至70℃反应24小时。反应结束后将一块洁净的玻璃片插入至含有PS球的水溶液中，置于干燥箱中45℃下自然蒸发4-7天。10mL钛酸丁酯溶于10mL无水乙醇中，随后加入1mL硝酸。搅拌1小时后，将生长PS球的玻璃片浸入钛酸丁酯溶液中，浸泡30分钟后将玻璃片取出，自然条件下干燥1小时。将干燥好的玻璃片置于管式炉中,在空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至550℃并在该温度下焙烧3小时。
实施例4：Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法采用以下技术方案：
13.5mL苯乙烯和0.7g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，搅拌15分钟后，加入0.3g过硫酸钾和0.5g硝酸银，通氮气30min排除空气后，升温至70℃反应24小时。反应结束后将一块洁净的玻璃片插入至含有PS球的水溶液中，置于干燥箱中45℃下自然蒸发4-7天。10mL钛酸丁酯溶于10mL无水乙醇中，随后加入1mL硝酸。搅拌1小时后，将生长PS球的玻璃片浸入钛酸丁酯溶液中，浸泡30分钟后将玻璃片取出，自然条件下干燥1小时。将干燥好的玻璃片置于管式炉中,在空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至400℃并在该温度下焙烧5小时。
实施例5：Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法采用以下技术方案：
13.5mL苯乙烯和0.7g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，搅拌15分钟后，加入0.3g过硫酸钾和0.5g硝酸银，通氮气30min排除空气后，升温至70℃反应24小时。反应结束后将一块洁净的玻璃片插入至含有PS球的水溶液中，置于干燥箱中45℃下自然蒸发4-7天。10mL钛酸丁酯溶于10mL无水乙醇中，随后加入1mL硝酸。搅拌1小时后，将生长PS球的玻璃片浸入钛酸丁酯溶液中，浸泡30分钟后将玻璃片取出，自然条件下干燥1小时。将干燥好的玻璃片置于管式炉中,在空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至500℃并在该温度下焙烧4小时。
实施例6：Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法采用以下技术方案：
13.5mL苯乙烯和0.7g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，搅拌15分钟后，加入0.3g过硫酸钾和0.5g硝酸银，通氮气30min排除空气后，升温至70℃反应24小时。反应结束后将一块洁净的玻璃片插入至含有PS球的水溶液中，置于干燥箱中45℃下自然蒸发4-7天。10mL钛酸丁酯溶于10mL无水乙醇中，随后加入1mL硝酸。搅拌1小时后，将生长PS球的玻璃片浸入钛酸丁酯溶液中，浸泡30分钟后将玻璃片取出，自然条件下干燥1小时。将干燥好的玻璃片置于管式炉中,在空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至600℃并在该温度下焙烧3小时。
如图1所示，图1为反蛋白石结构的TiO2双同质结光催化剂样品的XRD谱图。通过图谱与标准的JCPDS卡片进行对比，可以看出样品出现的全部衍射峰与标准卡片No.71-1166（锐钛矿）和No.21-1276（金红石）是吻合的，证明合成的样品为TiO2双相同质结。
如图2所示，图2为反蛋白石结构的TiO2双相同质结光催化剂样品的SEM图片。从图中可以看出，反蛋白石结构的样品结构高度有序、孔径均匀，是聚苯乙烯微球模板结构的精确反复制。大孔之间是由规则排列的小孔相互连通的，形成了一个三维有序排列的通道网络。这种结构可以实现周期性调节对光的传递，提高材料对入射光的吸收。
如图3所示，图3(a)为反蛋白石结构的TiO2双相同质结光催化剂样品的TEM图片。从图中可以看出，TiO2反蛋白石的密排面以ABCABC形式排列，即二氧化钛反蛋白石结构中的孔具有FCC的密堆积结构。图3(b)为催化剂样品的高分辨TEM图片。通过测量晶格条纹间距可以同时检测锐钛矿、金红石和银纳米粒子的存在，进一步证明了XRD的结论。
Claims (7)
1.一种Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法，其特征在于以密堆积排列的PS微球为模板、以Ag纳米粒子为诱导物、以钛酸丁酯溶液为前驱体的方法制备Ag纳米粒子诱导的具有反蛋白石结构的TiO2双相同质结光催化剂，具体包括以下步骤：
(1)13.5mL苯乙烯和0.7g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，搅拌15分钟后，加入0.15-0.3g过硫酸钾和0.3-0.5g硝酸银，通氮气30min排除空气后，升温至70℃反应24小时，反应结束后将一块洁净的玻璃片插入至含有PS球的水溶液中，置于干燥箱中45℃下自然蒸发4-7天，得到生长PS球的玻璃片；
(2)10mL钛酸丁酯溶于10mL无水乙醇中，随后加入1mL硝酸，搅拌1小时后，将生长PS球的玻璃片浸入钛酸丁酯溶液中，浸泡30-90分钟后将玻璃片取出，自然条件下干燥1小时；
(3)将干燥好的玻璃片置于管式炉中,在空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至400-600℃并在该温度下焙烧2-5小时，即可得到具有反蛋白石结构的TiO2 双相同质结光催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
13.5mL苯乙烯和0.7g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，搅拌15分钟后，加入0.15g过硫酸钾和0.3g硝酸银，通氮气30min排除空气后，升温至70℃反应24小时，反应结束后将一块洁净的玻璃片插入至含有PS球的水溶液中，置于干燥箱中45℃下自然蒸发4-7天；
10mL钛酸丁酯溶于10mL无水乙醇中，随后加入1mL硝酸，搅拌1小时后，将生长PS球的玻璃片浸入钛酸丁酯溶液中，浸泡30分钟后将玻璃片取出，自然条件下干燥1小时；
将干燥好的玻璃片置于管式炉中,在空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至550℃并在该温度下焙烧3小时。
3.根据权利要求1所述的一种Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
13.5mL苯乙烯和0.7g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，搅拌15分钟后，加入0.2g过硫酸钾和0.4g硝酸银，通氮气30min排除空气后，升温至70℃反应24小时；反应结束后将一块洁净的玻璃片插入至含有PS球的水溶液中，置于干燥箱中45℃下自然蒸发4-7天；
10mL钛酸丁酯溶于10mL无水乙醇中，随后加入1mL硝酸；搅拌1小时后，将生长PS球的玻璃片浸入钛酸丁酯溶液中，浸泡30分钟后将玻璃片取出，自然条件下干燥1小时；将干燥好的玻璃片置于管式炉中,在空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至550℃并在该温度下焙烧3小时。
4.根据权利要求1所述的一种Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
13.5mL苯乙烯和0.7g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，搅拌15分钟后，加入0.3g过硫酸钾和0.5g硝酸银，通氮气30min排除空气后，升温至70℃反应24小时；反应结束后将一块洁净的玻璃片插入至含有PS球的水溶液中，置于干燥箱中45℃下自然蒸发4-7天；
10mL钛酸丁酯溶于10mL无水乙醇中，随后加入1mL硝酸；搅拌1小时后，将生长PS球的玻璃片浸入钛酸丁酯溶液中，浸泡30分钟后将玻璃片取出，自然条件下干燥1小时；将干燥好的玻璃片置于管式炉中,在空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至550℃并在该温度下焙烧3小时。
5.根据权利要求1所述的一种Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
13.5mL苯乙烯和0.7g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，搅拌15分钟后，加入0.3g过硫酸钾和0.5g硝酸银，通氮气30min排除空气后，升温至70℃反应24小时；反应结束后将一块洁净的玻璃片插入至含有PS球的水溶液中，置于干燥箱中45℃下自然蒸发4-7天；10mL钛酸丁酯溶于10mL无水乙醇中，随后加入1mL硝酸；搅拌1小时后，将生长PS球的玻璃片浸入钛酸丁酯溶液中，浸泡30分钟后将玻璃片取出，自然条件下干燥1小时；将干燥好的玻璃片置于管式炉中,在空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至400℃并在该温度下焙烧5小时。
6.根据权利要求1所述的一种Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
13.5mL苯乙烯和0.7g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，搅拌15分钟后，加入0.3g过硫酸钾和0.5g硝酸银，通氮气30min排除空气后，升温至70℃反应24小时；反应结束后将一块洁净的玻璃片插入至含有PS球的水溶液中，置于干燥箱中45℃下自然蒸发4-7天；
10mL钛酸丁酯溶于10mL无水乙醇中，随后加入1mL硝酸；搅拌1小时后，将生长PS球的玻璃片浸入钛酸丁酯溶液中，浸泡30分钟后将玻璃片取出，自然条件下干燥1小时；将干燥好的玻璃片置于管式炉中,在空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至500℃并在该温度下焙烧4小时。
7.根据权利要求1所述的一种Ag诱导的反蛋白石TiO2同质结光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
13.5mL苯乙烯和0.7g聚乙烯吡咯烷酮溶于100mL去离子水中，搅拌15分钟后，加入0.3g过硫酸钾和0.5g硝酸银，通氮气30min排除空气后，升温至70℃反应24小时；反应结束后将一块洁净的玻璃片插入至含有PS球的水溶液中，置于干燥箱中45℃下自然蒸发4-7天；
10mL钛酸丁酯溶于10mL无水乙醇中，随后加入1mL硝酸；搅拌1小时后，将生长PS球的玻璃片浸入钛酸丁酯溶液中，浸泡30分钟后将玻璃片取出，自然条件下干燥1小时；将干燥好的玻璃片置于管式炉中,在空气气氛下以1℃/min的速率从室温升至600℃并在该温度下焙烧3小时。
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