CN112058256A - 一种VO2掺杂纳米TiO2复合材料及其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
一种VO2掺杂纳米TiO2复合材料及其制备方法及应用，是VO2掺杂在纳米TiO2中的复合材料。将该复合材料溶于有机体系分散基质中形成涂覆液，再涂覆于玻璃或塑料材料上，应用于光催化。本发明主要通过水热法制备材料，操作简单，容易实现，在反应过程中使VO2生长在纳米TiO2周围，通过VO2的相变从而改变TiO2的光催化性能，拓宽了光的吸收范围以及增强了材料对于光生载流子和空穴的有效分离，提高光催化活性。
Description
技术领域
本发明属于光催化材料领域，尤其涉及一种新型的VO2掺杂纳米TiO2复合材料及其制备方法及应用。
背景技术
光催化原理是指以半导体为光催化剂在光照的条件下具有的氧化还原能力，将有机物降解为二氧化碳和水的过程。光催化氧化目前已应用于污水处理、自清洁材料、卫生医疗、光解水制氢、抗菌等多个前沿领域。其中，纳米TiO2制备成本低，对环境友好，对人体无伤害，颗粒度小，具有较高的光催化活性和稳定性，这些优异的特性使其成为重要的光催化剂之一。在TiO2的几个晶相中，锐钛矿型TiO2和金红石型TiO2由于其在催化领域的优异性能而吸引了研究者的注意。
随着TiO2光催化剂的深入研究，人们发现TiO2禁带宽度(3.2eV)较宽，对阳光的利用率不高，并且其光生空穴/电子对的快速复合，这些限制了TiO2光催化剂在实际中的应用。针对以上TiO2问题，具体改性方法有离子掺杂、半导体复合、贵金属沉积、共掺杂等。VO2在温度低于68℃时为半导体，禁带宽度为0.68eV左右，对红外透过率较高；温度高于68℃时，VO2禁带消失，变为高温金属态，导致红外光透过率急剧下降，吸收率和反射率升高，相变前后红外光的透过率差约49％，有明显的光学开关性质。VO2材料可用于作太阳能控制材料、红外辐射测热计、热敏电阻、热敏开关、可变反射镜、场效应器件、红外脉冲激光保护膜、全息存储材料、智能控温涂层材料的生产上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种VO2掺杂纳米TiO2复合材料及其制备方法及应用，应用于光催化领域。该材料具有制备简单，价格低廉，环境友好等特点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种VO2掺杂纳米TiO2复合材料，是VO2掺杂在纳米TiO2中的复合材料。
一种VO2掺杂纳米TiO2复合材料的制备方法，包括以下方法步骤：
1)将质量浓度不低于99.5％的草酸或NaHSO3或苯乙胺与V2O5和TiO2按照摩尔比(1～3):(1～2):(1～2)称量；
2)将草酸或NaHSO3或苯乙胺溶于去离子水中，配置草酸或NaHSO3或苯乙胺溶液；
3)向步骤2)中配好的草酸或NaHSO3或苯乙胺溶液中加入V2O5和TiO2粉末，用磁力搅拌机搅拌30min，再加入尿素溶液；
4)将步骤3)配置好的溶液置于聚四氟乙烯反应釜中，在150～200℃环境下保温18～36小时；
5)待反应釜冷却至室温后，将收集的沉淀物放在50～80℃的恒温通风干燥箱中干燥6～8h，得到VO2掺杂纳米TiO2复合材料；
6)将步骤5)所得的VO2掺杂纳米TiO2复合材料放于真空管式炉中，分别在400～600℃进行热处理，保温时间为0.5～2h。
所述TiO2采用p-25TiO2。
上述步骤2)中草酸或NaHSO3或苯乙胺溶液配置浓度为0.6～0.8mol/L。
上述步骤3)中，加入8～10mL的0.08～0.15mol/L的尿素溶液
一种VO2掺杂纳米TiO2复合材料的应用，将VO2掺杂纳米TiO2复合材料溶于有机体系分散基质中形成涂覆液，再涂覆于玻璃或塑料材料上，应用于光催化。
所述有机体系分散基质为聚氨酯(PU)、丙烯酸(PA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种或几种。
将VO2掺杂在纳米TiO2复合材料分别在450℃，500℃，550℃，600℃进行退火处理，可以调节锐钛矿型与金红石型的比例，在450℃退火后TiO2为锐钛矿相，500℃退火后金红石相质量分数低于0.5％，550℃退火后金红石相的质量分数1.85～2.30％，600℃退火后金红石相的质量分数为6.30～8.5％。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
本发明主要通过水热法制备材料，操作简单，容易实现，在反应过程中使VO2生长在纳米TiO2周围，通过VO2的相变从而改变TiO2的光催化性能，拓宽了光的吸收范围以及增强了材料对于光生载流子和空穴的有效分离，提高光催化活性。
具体实施方式
下面对本发明做详细说明，但本发明的实施范围不仅仅限于下述的实施方式。
实施例1：
一种VO2掺杂纳米TiO2复合材料的制备方法，包括以下方法步骤：
1)将NaHSO3、V2O5和TiO2按照摩尔比2:1:1称量；
2)将NaHSO3溶于去离子水中，配置浓度为0.6mol/L的NaHSO3溶液；
3)向步骤2)中配好的NaHSO3溶液中加入V2O5和p-25TiO2粉末，用磁力搅拌机搅拌30min，再加入10mL的0.15mol/L的尿素溶液；
4)将配置好的溶液置于100ml聚四氟乙烯反应釜中，在180℃环境下保温36小时；
5)待反应釜冷却至室温后，将收集的沉淀物放在60℃的恒温通风干燥箱中干燥8h，得到VO2掺杂纳米TiO2复合材料；
6)将所得的VO2掺杂纳米TiO2复合粉末放于真空管式炉中，在450℃进行热处理，保温时间为2h。
将步骤6)得到VO2掺杂纳米TiO2复合材料溶于有机体系分散基质(聚氨酯(PU)、丙烯酸(PA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等)形成涂覆液，再经辊涂、喷涂及印刷等工艺涂覆于塑料大棚上。
本实施例通过水热法制备出VO2生长在纳米TiO2颗粒周围的薄膜样品。纳米二氧化钛在光催化作用下使细菌分解而具有抗菌效果，而VO2生长在TiO2颗粒的周围，由于产生表面效应和异质结，会降低VO2的相变温度。这就提供了一个很好的思路，将薄膜制备在大棚的外侧，在高温下阻隔近红外光，低温时透过红外光，可以控制大棚的温度，又能起到杀菌的作用，有利于大棚作物的生长，还具备自清洁功能分解污染物，也可以根据不同的植物所需的温度不同，在掺杂其他元素，来改变相变温度，对于普通大棚来说方便有效，具有非常可观的应用前景。
实施例2：
1)称量质量浓度为99.5％的草酸(H2C2O4·2H2O)与V2O5和TiO2按照摩尔比2:1:1称量；
2)将草酸溶于去离子水中，配置浓度为0.8mol/L的草酸溶液；
3)向步骤2)中配好的草酸溶液中加入V2O5和p-25TiO2粉末，用磁力搅拌机搅拌30min，再加入10mL的0.15mol/L的尿素溶液；
4)将步骤3)配置好的溶液置于100ml聚四氟乙烯反应釜中，在190℃环境下保温48小时；
5)待反应釜冷却至室温后，将收集的沉淀物放在60℃的恒温通风干燥箱中干燥8h，得到VO2掺杂纳米TiO2复合材料；
6)将所得的VO2掺杂纳米TiO2复合材料粉末放于真空管式炉中，在450℃进行热处理，保温时间为2h。
将上述步骤6)得到的VO2掺杂纳米TiO2复合材料溶于有机体系分散基质(聚氨酯(PU)、丙烯酸(PA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等)形成涂覆液，再经辊涂、喷涂及印刷等工艺涂覆于玻璃杯或者塑料杯上面。
VO2的相变温度在68℃左右，当VO2生长在TiO2颗粒周围后，形成异质结，不仅可以改变TiO2的光催化性能，同时也改变了VO2的相变温度。VO2掺杂在纳米TiO2复合材料薄膜可以制备在透明水杯的外壁，在外壁可以抗菌杀毒，消除空气中及手上的细菌，还具有自清洁的作用，防止出现长期使用产生污垢、变色等问题；在高温下阻隔近红外光，低温时透过红外光，可以保温。不仅如此，还可以应用在一些药品的保存上，对需要低温保存的药品瓶外壁涂覆上复合膜后，既能控制温度又能杀菌，长期保存药品。
Claims (7)
1.一种VO2掺杂纳米TiO2复合材料，其特征在于，是VO2掺杂在纳米TiO2中的复合材料。
2.一种如权利要求1所述的VO2掺杂纳米TiO2复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下方法步骤：
1)将质量浓度不低于99.5％的草酸或NaHSO3或苯乙胺与V2O5和TiO2按照摩尔比(1～3):(1～2):(1～2)称量；
2)将草酸或NaHSO3或苯乙胺溶于去离子水中，配置草酸或NaHSO3或苯乙胺溶液；
3)向步骤2)中配好的草酸或NaHSO3或苯乙胺溶液中加入V2O5和TiO2粉末，用磁力搅拌机搅拌30min，再加入尿素溶液；
4)将步骤3)配置好的溶液置于聚四氟乙烯反应釜中，在150～200℃环境下保温18～36小时；
5)待反应釜冷却至室温后，将收集的沉淀物放在50～80℃的恒温通风干燥箱中干燥6～8h，得到VO2掺杂纳米TiO2复合材料；
6)将步骤5)所得的VO2掺杂纳米TiO2复合材料放于真空管式炉中，分别在450～600℃进行热处理，保温时间为0.5～2h。
3.根据权利要求2所述的一种VO2掺杂纳米TiO2复合材料的制备方法，其特征在于，所述TiO2采用p-25TiO2。
4.根据权利要求2所述的一种VO2掺杂纳米TiO2复合材料的制备方法，其特征在于，上述步骤2)中草酸或NaHSO3或苯乙胺溶液配置浓度为0.6～0.8mol/L。
5.根据权利要求2所述的一种VO2掺杂纳米TiO2复合材料的制备方法，其特征在于，上述步骤3)中，加入8～10mL的0.08～0.15mol/L的尿素溶液。
6.一种如权利要求1所述的VO2掺杂纳米TiO2复合材料的应用，其特征在于，将VO2掺杂纳米TiO2复合材料溶于有机体系分散基质中形成涂覆液，再涂覆于玻璃或塑料材料上，应用于光催化。
7.根据权利要求6所述的一种VO2掺杂纳米TiO2复合材料的应用，其特征在于，所述有机体系分散基质为聚氨酯、丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。
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| US20110095242A1 (en) * | 2008-06-30 | 2011-04-28 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Thermochromic microparticles, dispersions thereof, and manufacturing method thereof, as well as light-modulating coatings, light-modulating films and light-modulating inks |
| CN102241482A (zh) * | 2011-04-22 | 2011-11-16 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 智能控温二氧化钒纳米复合多功能薄膜及其制备方法 |
| CN104857995A (zh) * | 2015-05-21 | 2015-08-26 | 中国石油大学(华东) | 一种纳米结构的聚苯胺修饰的n掺杂二氧化钛复合光催化剂及其制备方法和应用 |
-
2020
- 2020-09-04 CN CN202010920833.5A patent/CN112058256A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110095242A1 (en) * | 2008-06-30 | 2011-04-28 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Thermochromic microparticles, dispersions thereof, and manufacturing method thereof, as well as light-modulating coatings, light-modulating films and light-modulating inks |
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Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| DENGBING LI等: ""Hydrothermal Synthesis of Mo-Doped VO2/TiO2 Composite Nanocrystals with Enhanced Thermochromic Performance"" * |
| DENGBING LI等: ""Hydrothermal Synthesis of Mo-Doped VO2/TiO2 Composite Nanocrystals with Enhanced Thermochromic Performance"", 《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》 * |
| LI ZHONG等: ""TiO2 seed-assisted growth of VO2(M) films and thermochromic performance"" * |
| LI ZHONG等: ""TiO2 seed-assisted growth of VO2(M) films and thermochromic performance"", 《CRYSTENGCOMM》 * |
| 夏恒霞: ""VO2/TiO2复合功能材料的制备及性能研究"" * |
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