CN109261184A - 一种SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法 - Google Patents

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李村
李一村
代兵
韩杰才
杨磊
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Abstract

一种SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法，本发明属于光催化材料制备领域，它为了解决二氧化钛光催化效率较低的问题。制备方法：一、将纳米碳化硅粉末加入到无水乙醇中，超声分散均匀，得到纳米碳化硅悬浮液，然后加入钛酸四正丁酯，充分溶解后倒入去离子水中，磁力搅拌后得到前驱体溶液；二、将前驱体溶液装入带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在140～180℃条件下反应得到反应液；三、收集反应液下层的沉淀固相物，经洗涤、干燥后研磨成粉末，得到SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒。本发明制备方法简单，得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒通过TiO2与SiC间形成的异质结，有效提升了光催化氧化性能。

Description

一种SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法
技术领域
本发明属于材料制备领域，涉及一种SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法。
背景技术
二氧化钛是一种重要的n型宽禁带半导体，其中锐钛矿相二氧化钛具有较高的光催化活性、良好的亲水性、较好的热稳定性、无毒无二次污染等独特性质，使之成为近些年最有潜力的绿色光催化剂。然而二氧化钛光催化技术也存在着许多制约其应用的问题，其中最关键的问题有两个：一是二氧化钛光生电子-空穴对复合率较高，使得光生空穴无法有效被H2O或OH-捕获形成羟基自由基(·OH)，降低了氧化性能和效率；二是二氧化钛的带隙较宽(3.0～3.2eV)，只能利用太阳频谱范围不到5％的紫外部分。目前关于二氧化钛光催化剂最有前景的改性方法是半导体复合，因为通过半导体异质结来分离光生电子-空穴对具有较高的效率和可行性，并且能够拓宽其光响应范围。在现已开发的新型p型半导体中，碳化硅半导体材料是研究最为成熟的一种，碳化硅具有高化学稳定性、高电子迁移率和高热导率，且带隙宽度与二氧化钛相当，是与二氧化钛复合形成II型异质结的理想材料。
发明内容
本发明的目的是为了解决二氧化钛光催化效率较低的问题，而提供一种SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法。
本发明SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法按下列步骤实现：
一、前驱体溶液的制备：将纳米碳化硅粉末加入到无水乙醇中，超声分散均匀，得到纳米碳化硅悬浮液，向纳米碳化硅悬浮液中(缓慢)加入钛酸四正丁酯，充分溶解后倒入去离子水中，磁力搅拌后得到前驱体溶液；
二、水热制备复合颗粒：将前驱体溶液装入带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，装釜后在140～180℃条件下反应5～6h，冷却后开釜，得到反应液；
三、洗涤和研磨：收集反应液下层的沉淀固相物，固相物使用乙醇离心洗涤多次，干燥后研磨成粉末，得到SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒；
其中步骤一中纳米碳化硅占钛酸四正丁酯质量的0.1％～2％。
本发明提出了一种简单的SiC/TiO2复合纳米颗粒的制备方法，以纳米SiC颗粒为核，在其表面生长锐钛矿相TiO2层，构筑核壳结构的复合颗粒，光催化氧化性能较纯纳米TiO2颗粒有较大提升，且拓宽了光响应范围。
本发明所述的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法包括以下有益效果：
1、制备方法简单，无需后续煅烧处理，保证了TiO2晶型的稳定。
2、生长过程可控，通过控制纳米SiC与钛酸四正丁酯的比例以及反应时间、温度来控制TiO2层在SiC颗粒表面的生长。
3、SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒通过TiO2与SiC间形成的异质结，有效提升了光催化氧化性能。
附图说明
图1是实施例得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的XRD图谱，其中◆代表TiO2，◇代表SiC(3C)；
图2是实施例得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的XPS的C1s谱图；
图3是实施例得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的XPS的Si2p谱图；
图4是实施例得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的XPS的O1s谱图；
图5是实施例得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的XPS的Ti2p谱图；
图6是实施例得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的SEM图；
图7是实施例得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的TEM图a；
图8是实施例得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的TEM图b；
图9是实施例得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的TEM图c；
图10是实施例得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的TEM图d；
图11是实施例得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒和纯TiO2的紫外吸收图谱，其中1代表SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒，2代表TiO2；
图12是实施例得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒和纯TiO2的甲基橙降解率测试图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法按下列步骤实施：
一、前驱体溶液的制备：将纳米碳化硅粉末加入到无水乙醇中，超声分散均匀，得到纳米碳化硅悬浮液，向纳米碳化硅悬浮液中(缓慢)加入钛酸四正丁酯，充分溶解后倒入去离子水中，磁力搅拌后得到前驱体溶液；
二、水热制备复合颗粒：将前驱体溶液装入带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，装釜后在140～180℃条件下反应5～6h，冷却后开釜，得到反应液；
三、洗涤和研磨：收集反应液下层的沉淀固相物，固相物使用乙醇离心洗涤多次，干燥后研磨成粉末，得到SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒；
其中步骤一中纳米碳化硅占钛酸四正丁酯质量的0.1％～2％。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中纳米碳化硅粉末的平均粒径为30～50纳米。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中磁力搅拌的时间为15～30min。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中钛酸四正丁酯和去离子水的体积比为0.02～0.1：1。
本实施方式钛酸四正丁酯遇水会剧烈水解，通过控制体积比来控制水解程度。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤一中纳米碳化硅占钛酸四正丁酯质量的0.4％～0.8％。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二在150～170℃条件下反应5～6h。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三固相物使用乙醇离心洗涤3～5次。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤三中干燥的温度为40℃。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的粒径为60～70nm。
实施例：本实施例SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法按下列步骤实施：
一、前驱体溶液的制备：将纳米碳化硅粉末(平均粒径为40nm)加入到无水乙醇中，超声分散均匀，得到纳米碳化硅悬浮液，向纳米碳化硅悬浮液中缓慢加入钛酸四正丁酯，充分溶解后倒入去离子水中，钛酸四正丁酯和去离子水的体积比为0.05：1，磁力搅拌后得到前驱体溶液；
二、水热制备复合颗粒：将前驱体溶液装入带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，前驱体溶液装釜体积占反应釜体积的三分之二，装釜后在160℃条件下反应6h，冷却后开釜，得到反应液；
三、洗涤和研磨：收集反应液下层的沉淀固相物，固相物使用乙醇离心洗涤5次，在40℃条件下干燥24h，研磨成粉末，得到SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒；
其中步骤一中纳米碳化硅占钛酸四正丁酯质量的0.5％。
本实施例利用X射线衍射分析(XRD)的物相分析方法来对SiC/TiO2复合颗粒进行晶型测定；利用X射线光电子能谱分析(XPS)对复合颗粒的元素价态(C、Si、O、Ti)进行表征。
从图1的XRD谱图可以看出，衍射峰2θ＝25.28°、37.80°、48.05°、55.06°、62.69°、68.76°、75.03°和82.66°分别对应于锐钛矿相TiO2的(101)、(004)、(200)、(211)、(204)、(116)、(215)和(224)晶面(JCPDS file No.#21-1272)；衍射峰2θ＝35.60°、41.38°、59.98°、71.78°和75.49°分别对应于3C-SiC的(111)、(200)、(220)、(311)以及(222)晶面(JCPDS file No.#29-1129)，说明在本实施例制备出了光催化氧化性能优异的锐钛矿相TiO2，且晶粒完整，结晶质量良好。从图2-图5的XPS分析可以看出，复合颗粒中存在C-O键，C-Si键，以及TiO2中的Ti4+价态。从图6可以看出，SiC颗粒能够为TiO2提供形核位点，促进其在SiC颗粒表面形核生长。
图7～图10的TEM图显示出，本实施例制备出了核壳结构的SiC/TiO2复合纳米颗粒。从图11可以看出，对比纯TiO2和复合颗粒的紫外吸收峰，复合之后颗粒的吸收峰中心波长为325纳米，相比于纯TiO2的270纳米中心吸收峰，发生了红移，说明SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的光响应范围向可见光扩展。
采用甲基橙作为目标降解物，甲基橙溶液初始浓度为5mg/L，测定在紫外光照射下(波长分布以365nm为中心)20min的甲基橙降解率(光催化剂浓度均为1g/L)，并对比纯TiO2颗粒光催化剂，对复合颗粒进行光催化氧化能力表征。图12的甲基橙降解率测试图显示，相比于纯TiO2颗粒，本实施例制备的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的光催化氧化性能提升，甲基橙降解率从50.2％提高至86.8％。

Claims (9)

1.一种SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法，其特征在于该方法按下列步骤实现：
一、前驱体溶液的制备：将纳米碳化硅粉末加入到无水乙醇中，超声分散均匀，得到纳米碳化硅悬浮液，向纳米碳化硅悬浮液中加入钛酸四正丁酯，充分溶解后倒入去离子水中，磁力搅拌后得到前驱体溶液；
二、水热制备复合颗粒：将前驱体溶液装入带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，装釜后在140～180℃条件下反应5～6h，冷却后开釜，得到反应液；
三、洗涤和研磨：收集反应液下层的沉淀固相物，固相物使用乙醇离心洗涤多次，干燥后研磨成粉末，得到SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒；
其中步骤一中纳米碳化硅占钛酸四正丁酯质量的0.1％～2％。
2.根据权利要求1所述的一种SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法，其特征在于步骤一中纳米碳化硅粉末的平均粒径为30～50纳米。
3.根据权利要求1所述的一种SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法，其特征在于步骤一中磁力搅拌的时间为15～30min。
4.根据权利要求1所述的一种SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法，其特征在于步骤一中钛酸四正丁酯和去离子水的体积比为0.02～0.1：1。
5.根据权利要求1所述的一种SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法，其特征在于步骤一中纳米碳化硅占钛酸四正丁酯质量的0.4％～0.8％。
6.根据权利要求1所述的一种SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法，其特征在于步骤二在150～170℃条件下反应5～6h。
7.根据权利要求1所述的一种SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法，其特征在于步骤三固相物使用乙醇离心洗涤3～5次。
8.根据权利要求1所述的一种SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法，其特征在于步骤三中干燥的温度为40℃。
9.根据权利要求1所述的一种SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的制备方法，其特征在于步骤三得到的SiC/TiO2复合光催化纳米颗粒的粒径为60～70nm。
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