CN113318723A - 一种二氧化钛光催化材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种二氧化钛光催化材料及其制备方法和应用,所述方法包括以下步骤:将三氯化钛的稀盐酸溶液溶解在无水乙醇中,所述溶液与无水乙醇的体积比为(1.435~5.74):(30~40),获得前驱液;将前驱液水热处理5~12h,得到反应液;将反应液冷却后分离产物,之后依次用乙醇清洗、干燥得到二氧化钛光催化材料。该TiO2材料具有丰富的表面缺陷及较大的比表面积,减小了材料的禁带宽度,从而将材料的光吸收扩展至可见光区的同时,增多了材料表面的反应活性位点,而其表面缺陷还可以捕获光生电子,降低光生载流子的复合率,产生更多的反应活性物种,从而提高光催化产氢和去除空气中NO性能。

Description

一种二氧化钛光催化材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于光催化材料制备技术领域,具体为一种二氧化钛光催化材料及其制备方法和应用。
背景技术
从过去的几十年开始,氢气一直是作为一种未来能源,具有可取代昂贵和污染的化石燃料的潜力,因此产氢受到了广泛的关注。产氢的方式可以分为可再生和不可再生两种。光电解法和光催化水分解法属于可再生的方式,而蒸汽重整和气化属于不可再生的方式。环境污染破坏了人类的生态环境,给人类的生存带来了许多的潜在危害,空气污染给人类带来的是最直接的危害,其中氮氧化物是危害最大、最难处理的空气污染物之一。在众多的大气污染物中,氮氧化物由于能够产生酸雨、引起臭氧层破坏并带来光化学烟雾和雾霾等恶劣天气,近年来备受社会关注。氮氧化物的主要成分是二氧化氮(NO2)和一氧化氮(NO),它们在大气中存在时间较长,含量较大,对人、物、植物以及其他的物质产生有害影响时,就会形成污染。随着社会的发展,对空气污染的治理也提上日程,需要各种方法对空气污染进行治理。在70年代,光催化首次以制备氢气的能源技术被提出,在后来的研究中,发现它可以应用在环境污染方面。在多种治理污染的方法中,光催化作为一种低成本、无污染的绿色技术引起了广泛关注。
在不同的制氢方法中,光催化是一种很有前途的制氢方法,它对环境无污染,并且利用了太阳能和水等可再生资源。而实现光催化制氢这一目标的催化剂的首要条件是太阳光能的吸收、相对于水的氧化还原电位适宜的带边位置以及较低的光生载流子复合率。目前,大多数已开发的水分解光催化剂都是利用贵金属基助催化剂实现高活性。但是,对于大规模的能源生产来说,这些材料过于稀有和昂贵。TiO2作为一种典型的氧化物半导体,由于其在电子和光催化方面的多种功能,在过去的几十年里得到了广泛的研究。
在众多的光催化剂中,TiO2因其具有生成H+/H2的带电位、来源广泛、无毒、耐蚀性和高化学稳定性、高热稳定性而成为一种很有前景的制氢催化剂。然而,TiO2有两个较大的缺陷,一是光吸收局限于紫外区,二是电子-空穴对的快速重组,导致其在实际应用过程中受到限制。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种二氧化钛光催化材料及其制备方法和应用,以无水乙醇为溶剂,以TiCl3为钛源,使其在高温高压环境中反应,通过升温、保温和降温三个阶段,生长出微米块状TiO2光催化材料。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种二氧化钛光催化材料的制备方法,包括以下步骤:
将三氯化钛的稀盐酸溶液溶解在无水乙醇中,所述溶液与无水乙醇的体积比为(1.435~5.74):(30~40),获得前驱液;
将前驱液水热处理5~12h,得到反应液;
将反应液冷却后分离产物,之后依次用乙醇清洗、干燥得到二氧化钛光催化材料。
优选的,将三氯化钛的稀盐酸溶液分散在乙醇中,之后搅拌0.5~1h,获得前驱液。
优选的,所述的前驱液在180~220℃下进行水热处理。
优选的,将所述的反应液冷却后离心,得到产物。
进一步,所述的产物在60~70℃下进行真空干燥。
进一步,所述的产物在60~70℃下真空干燥3~5h。
一种由上述任意一项所述的二氧化钛光催化材料的制备方法得到的二氧化钛光催化材料。
进一步,所述材料为白色的微米块状粉体。
二氧化钛光催化材料在光催化产氢中的应用。
二氧化钛光催化材料在光催化去除空气中NO的应用。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明一种二氧化钛光催化材料的制备方法,通过一步溶剂热法制备TiO2材料,所涉及的整个操作过程方便简单,对于反应生成的材料,离心后只需用乙醇清洗即可,不涉及任何酸洗过程,对环境无任何污染。采用的合成方法简便、高效、安全且重复性高,通过调整反应时间和试剂用量,合成了纯相块状TiO2材料,该TiO2材料具有丰富的表面缺陷及较大的比表面积,减小了材料的禁带宽度,从而将材料的光吸收扩展至可见光区的同时,增多了材料表面的反应活性位点,而其表面缺陷还可以捕获光生电子,降低光生载流子的复合率,产生更多的反应活性物种,从而提高光催化产氢和去除空气中NO性能。
附图说明
图1是本发明所述的三氯化钛稀盐酸溶液的相关说明图。
图2是本发明实施例1制备的TiO2粉体的XRD图谱。
图3是本发明实施例1制备的TiO2粉体在4μm下的SEM照片。
图4是本发明实施例1制备的TiO2粉体在500nm下的SEM照片。
图5是本发明实施例1制备的TiO2粉体的光催化产氢性能图。
图6是本发明实施例1制备的TiO2粉体的光催化去除空气中NO的性能图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种二氧化钛光催化材料的制备方法,包括如下步骤:
步骤一:将TiCl3作为钛源分散在溶剂中,室温搅拌使其溶解,搅拌的时间为0.5~1h,此步骤使用三氯化钛的稀盐酸溶液,TiCl3添加量为1.435~5.74mL,溶剂为无水乙醇,体积为30~40mL;
三氯化钛稀盐酸溶液的相关说明如图1所示;
步骤二:将第一步所得溶液转入反应釜内衬中,放入烘箱中反应,升温至180~220℃保温5~24小时;
步骤三:反应结束后自然冷却至室温,收集所得产物进行离心,用乙醇清洗,在60~70℃干燥3~5小时烘干得到白色粉体TiO2
该白色粉体TiO2在光催化产氢和去除空气中NO时,包括如下步骤:
将50mg白色粉体在45mL水中搅拌分散,加入5mL三乙醇胺作为牺牲剂,在氙灯光源照射下进行光催化产氢反应,采样时间为每次20min,总时长为5小时。
实施例1
本发明一种二氧化钛光催化材料的制备方法,包括如下步骤:
称取2.87mLTiCl3溶于30mL无水乙醇中,室温搅拌30分钟使其完全溶解,将得到的溶液转入反应釜内衬中。
放入烘箱升温至220℃,保温6小时后,自然冷却降温至室温。收集所得的反应物,用无水乙醇清洗离心后60℃干燥3小时得到白色TiO2粉体。
图2是TiO2粉体的X射线衍图谱(XRD),所有的衍射峰均和TiO2标准卡片(PDF#21-1272)完全吻合,没有任何杂峰出现,说明合成的TiO2粉体为纯相。合成TiO2粉体的XRD衍射峰表明,样品具有较高的结晶度。
图3和图4显示合成的TiO2粉体为颗粒不均匀的块状微米材料。
图5是TiO2粉体的光催化产氢性能图,二氧化钛光催化产氢在5h内可以达到1145umol/g,可以看出合成的TiO2粉体具有较好的光催化产氢性能。
图6是TiO2粉体的光催化去除空气中NO的性能图,光催化去除NO性能在8min内就可以达到50%,可以看出合成的TiO2粉体具有较好的光催化去除空气中NO性能。
实施例2
本发明一种二氧化钛光催化材料的制备方法,包括如下步骤:
称取1.435mL TiCl3溶于30mL无水乙醇中,室温搅拌30分钟使其完全溶解,将得到的溶液转入反应釜内衬中。
放入烘箱升温至220℃,保温6小时后,自然冷却降温至室温。收集得到的反应物,用无水乙醇清洗离心后60℃干燥3小时得到白色TiO2粉体。
实施例3
本发明一种二氧化钛光催化材料的制备方法,包括如下步骤:
称取2.87mL TiCl3溶于30mL无水乙醇中,室温搅拌30分钟使其完全溶解,将得到的溶液转入反应釜内衬中。
放入烘箱升温至180℃,保温12小时后,自然冷却降温至室温。收集得到的反应物,用无水乙醇清洗离心后60℃干燥3小时得到白色TiO2粉体。

Claims (10)

1.一种二氧化钛光催化材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将三氯化钛的稀盐酸溶液溶解在无水乙醇中,所述溶液与无水乙醇的体积比为(1.435~5.74):(30~40),获得前驱液;
将前驱液水热处理5~12h,得到反应液;
将反应液冷却后分离产物,之后依次用乙醇清洗、干燥得到二氧化钛光催化材料。
2.根据权利要求1所述的二氧化钛光催化材料的制备方法,其特征在于,将三氯化钛的稀盐酸溶液分散在乙醇中,之后搅拌0.5~1h,获得前驱液。
3.根据权利要求1所述的二氧化钛光催化材料的制备方法,其特征在于,所述的前驱液在180~220℃下进行水热处理。
4.根据权利要求1所述的二氧化钛光催化材料的制备方法,其特征在于,将所述的反应液冷却后离心,得到产物。
5.根据权利要求4所述的二氧化钛光催化材料的制备方法,其特征在于,所述的产物在60~70℃下进行真空干燥。
6.根据权利要求5所述的二氧化钛光催化材料的制备方法,其特征在于,所述的产物在60~70℃下真空干燥3~5h。
7.一种由权利要求1~6中任意一项所述的二氧化钛光催化材料的制备方法得到的二氧化钛光催化材料。
8.根据权利要求7所述的一种二氧化钛光催化材料,其特征在于,所述材料为白色的微米块状粉体。
9.如权利要求7或8所述的二氧化钛光催化材料在光催化产氢中的应用。
10.如权利要求7或8所述的二氧化钛光催化材料在光催化去除空气中NO的应用。
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