CN113976162A - 一种共掺杂TiO2光催化剂、负载化制备方法、制备装置 - Google Patents

一种共掺杂TiO2光催化剂、负载化制备方法、制备装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于光催化剂制备技术领域，公开了一种共掺杂TiO2光催化剂、负载化制备方法、制备装置，进行供硼剂的制备，通过加热制备的所述供硼剂得到B原子、N原子，令得到的B原子、N原子与加热后的Ti粉末发生自蔓燃反应，在金属丝网沉积生成TiBN；令生成的TiBN与O2发生氧化反应形成B2O3、TiO2，液态B2O3渗入TiO2中形成B掺杂的TiO2，同时掺杂B和N的TiO2负载在金属丝网上，即得到B、N共掺杂TiO2光催化剂。本发明提出了一种工艺简单，成本低，产量高，金属丝网负载催化剂制备方法，制备的金属丝网负载TiO2催化剂重复使用率高，不易剥落，工艺简单、成本低、生产周期短、适合批量生产。

Description

一种共掺杂TiO2光催化剂、负载化制备方法、制备装置
技术领域
本发明属于光催化剂制备技术领域，尤其涉及一种B、N共掺杂TiO2光催化剂、负载化制备方法、制备装置。
背景技术
目前，TiO2作为半导体光催化材料，由于无毒、价格低廉和优异的光/化学稳定性，在太阳能电解池电极、太阳能光伏电池、光解水制氢、光催化、有机物降解等能源和环境领域有重要应用。但由于TiO2较大的禁带宽度(金红石的带宽为3.0eV；锐钛矿的带宽为3.2eV)，只能吸收占太阳光约4％的紫外光，这限制了其对太阳能的高效利用；TiO2吸收光后激发产生的载流子—电子和空穴容易发生复合，使得可以传输到催化剂表面参与反应的载流子数目减少，降低了催化效率。
现有改进TiO2光催化性能的方法主要是掺杂。关于掺杂，有金属离子掺杂和非金属离子掺杂。金属离子掺杂能够在一定程度上减小禁带宽度，拓展TiO2对太阳光的响应范围，但金属离子掺杂可能会对TiO2的热稳定性造成影响；掺杂可能为电子和空穴的复合提供了良好的复合中心；部分金属离子掺杂的注入设备昂贵。非金属离子掺杂能保证TiO2自身优异性能，还可以降低能带间隙，拓宽可见光的响应范围，同时可以有效抑制光生载流子的复合，进而提高其光催化性能。与金属离子相比，非金属离子还具有原料来源广泛、价格低廉等优点，因此非金属离子掺杂更有利于提高TiO2的光催化性能和被市场接受。非金属元素掺杂多数是用B、C、N、F、P和S等元素，其中N元素掺杂最为常见。关于B掺杂TiO2的报道远远低于N掺杂，可能是掺杂B的方法复杂，很难得到理想样品所致。
B掺杂主要是采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)高温煅烧。
最近研究发现B和N共掺杂的TiO2比B和N单独掺杂TiO2有更高的光催化活性，可能是提高可见光催化活性的最有效途径。现有B、N共掺杂是以溶胶-凝胶法，水热合成法为代表的化学方法，这些方法步骤多，工艺复杂，污染坏境，且难度远远大于N掺杂。
TiO2光催化剂所用的载体主要是三大类，分别是硅基载体、碳基载体和金属载体。硅基载体材料来源广泛，价格低廉，透光性优异，催化活性较高，但硅基载体催化剂易折断、抗负荷能力差、热稳定性差。硅基载体包括二氧化硅和硅酸盐产品，通常是玻璃、硅胶、沸石分子筛等等。碳基载体具有耐热、耐腐蚀、良好的导电性和导热性，但碳基载体易堵塞，不利于重复使用。碳基载体包括活性炭、石墨烯、碳钎维和活性半焦等。金属载体主要是不锈钢等。
当光催化剂运用于工业废水处理时，因为各类废水性质不同、处理环境复杂，一般对载体基质的要求较高，如耐强酸强碱、耐高温、耐腐蚀等，故不选用硅基和碳基载体。金属载体易加工成网状，除了满足稳定性和大的表面积的要求外，还能使得附着的催化剂获得更多的光照，能更好地适应静态或者动态的催化环境。金属载体主要是不锈钢，不锈钢载体易于加工设计、较稳定且耐高温，耐腐蚀，便于回收利用。因此当光催化剂运用于工业废水处理时，选用不锈钢载体最优。
现有的负载TiO2主要有以下几种：
(1)溶胶-凝胶法，其主要步骤是使含钛无机盐类或者钛酸酯类溶解在低碳醇中，再缓慢滴加中强酸水溶液并强烈搅拌得到TiO2湿溶胶，采用提拉等方法将湿溶胶覆在载体上，最后凝胶干燥得到吸附剂负载型TiO2。现有技术专利号为CN 108217824 A，公开了一种单螺旋式光催化消毒器，运用溶胶－凝胶法制备不锈钢光催化载体，但存在结合强度差的缺陷。
(2)粘结剂法是将TiO2催化剂颗粒用粘结剂粘到载体上。粘结剂法制备的光催化剂催化活性高，牢固性强。但在催化剂发生催化反应时，容易将粘结剂降解，造成催化剂的脱落，光催化性能下降，重复使用率低。
(3)水热法是在高温高压下利用水或有机溶剂为溶剂使难溶物质溶解并再结晶从而得到目标产物的过程。水热法制备的光催化剂粒径可控，负载尺寸均匀，但此法需要在高温高压环境下进行，对设备要求高，能耗大，不适合批量生产。
(4)化学气相沉积法是将钛源气化，在载体表面水解、溶胶、成核、生长，载体表面有一层TiO2晶粒。化学气相沉积法成型快，TiO2的负载程度可控。但此法操作难度大，对设备要求高，能耗大，成本高，不适合批量生产。
负载TiO2时都存在着不同的缺陷，溶胶－凝胶法制备的负载型光催化剂结合强度低；粘结剂法对粘结剂的要求苛刻，重复利用率低；水热法和化学气相沉积法对设备要求高，能耗大，成本高，不适合批量生产。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：负载型光催化剂结合强度低，易剥落；重复利用率低；对设备要求高，能耗大；成本高，不适合批量生产。
解决以上问题及缺陷的难度为：
现有的技术采用物理、化学方法在载体上沉积，然后经烘干或700℃烧结制备负载催化剂，该工艺很难实现载体和催化剂之间的牢固结合。如提高负载型光催化剂结合强度，可以使用粘结剂法，但使用粘结剂同时，对粘结剂的要求苛刻，重复利用率低等。
解决以上问题及缺陷的意义为：
该方法采用压力差驱动B、N与Ti原子发生自蔓燃反应，在金属丝网上均匀沉积TiBN薄膜，并与金属丝网产生扩散结合，氧化后原位形成B和N共掺杂的TiO2薄膜，该薄膜具有成分均匀、结合强度高、催化性能好的特点，能彻底解决负载催化剂脱落的问题，且该方法制备能耗小，成本低。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种B、N共掺杂TiO2光催化剂、负载化制备方法、制备装置。
本发明是这样实现的，一种B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法，包括：
进行供硼剂的制备，通过加热制备的所述供硼剂得到B原子、N原子，令得到的B原子、N原子与加热后的Ti粉末发生自蔓燃反应，在金属丝网沉积生成TiBN；
令生成的TiBN与O2发生氧化反应形成B2O3、TiO2，液态B2O3渗入TiO2中形成B掺杂的TiO2，同时掺杂B和N的TiO2负载在金属丝网上，即得到B、N共掺杂TiO2光催化剂。
进一步，所述供硼剂的制备方法包括：
首先，按质量百分数称取6wt％B、4wt％B4C、10wt％B-Fe、3wt％Al2O3、7wt％Si、10wt％木炭和60wt％石墨的粉末，过50-150目筛；
其次，将称取的B、B4C、B-Fe、Al2O3、Si、木炭和石墨的粉末填装至混料机，混合24h，得到供硼剂。
进一步，所述B原子、N原子与加热后的Ti粉末发生自蔓燃反应，在金属丝网沉积生成TiBN化学式如下：
2Ti+N2+2B＝2TiBN。
进一步，所述生成的TiBN与O2发生氧化反应形成B2O3、TiO2化学式如下：
2TiBN+3.5O2＝2TiO2(s)+B2O3(l)+N2(g)；
其中，s、l和g分别表示固体、液体和气体。
进一步，所述B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法包括以下步骤：
步骤一，进行供硼剂的制备；将制备的供硼剂放置于供硼室内，同时将预先获取的钛粉末和金属丝网放置于反应室内，盖上供硼室和反应室盖板，并关闭所有阀门；
步骤二，将所述供硼室、反应室抽真空至-0.1MPa；向真空的供硼室中注入氮气与氧气；气体注入结束后，控制供硼室进行加热；同时控制反应室进行加热；
步骤三，判断反应室的温度是否达到预设阈值，若达到，则向供硼室中充入氮气，打开供硼室、反应室的连接阀门，令供硼室中的由供硼剂加热生成的B原子、N原子从供硼室进入反应室同时与钛粉末和金属丝网反应，在金属丝网上沉积TiBN薄膜；
步骤四，判断反应室达到预设阈值是否超过1.5h，若超过，则停止向供硼室充入氮气，同时关闭供硼室、反应室的连接阀门，并向反应室中注入氧气，令沉积的TiBN薄膜发生氧化反应，保温1.0-1.5h之后停止注入氧气；
步骤五，待合成装置降温至室温时，打开排气阀，再打开盖板，取出负载有B、N共掺杂TiO2光催化剂的金属丝网，即可。
进一步，步骤一中，所述预先获取的钛粉末的纯度为99％、粒度为200目。
进一步，步骤一中，所述注入氮气与氧气包括：充入95％的N2和5％O2至真空压力表为+0.1MPa。
进一步，步骤二中，所述控制供硼室与反应室的加热包括：
将供硼室的温度加热至850℃，保温时间1h；将反应室温度加热至580℃±10℃，保温时间30min。
进一步，步骤三中，所述反应室温度预设阈值为580℃。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法的B、N共掺杂TiO2光催化剂合成装置，所述B、N共掺杂TiO2光催化剂合成装置设置有：
氧气瓶、氧气流量计、氮气流量计、供硼室盖板、第一热电偶、供硼管、第一真空压力表、氮气进气阀门、氧气进气阀门、进气管、控制阀、反应室盖板、第二热电偶、放气阀、真空泵、出气管、排气阀、第二真空压力表、加热电阻丝、反应室、金属丝网、钛粉末、物料托盘、物料支架、供硼气氛控制阀门、耐火砖、供硼室、活性硼原子、供硼剂、过滤网、氮气瓶、第三真空压力表。
本发明另一目的在于提供一种半导体光催化材料器件，所述半导体光催化材料器件由所述B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法制备。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
(1)同步实现TiO2的B和N共掺杂和金属丝网负载
本发明可一步实现在金属丝网上负载B、N共掺杂TiO2的制备新方法。
(2)TiO2与金属结合强度高
本发明将含硼气氛、氮气通入温度为580-600℃的反应室内与钛粉和金属丝网发生自蔓燃、沉积和扩散反应，金属丝网表面由于拉拔产生的微槽、位错、空位等缺陷为钛原子、硼原子、氮原子的扩散和沉积提供了位置条件和能量条件，因此沉积层与基体具有结合强度高的特点。
(3)压力差驱动B、N、Ti原子在金属丝网上均匀沉积
当打开供硼气氛控制阀门时，由于供硼室与反应室存在压差，活性B原子、N原子从左侧供硼室进入右侧反应室与钛粉末发生自蔓燃反应，并在金属丝网发生沉积，生成均匀TiBN薄膜。
(4)减少金属丝网变形，保持原始丝网强度
当活性B原子和N原子从左侧供硼室进入右侧反应室时，反应室温度为580℃±10℃，由于温度不高，会减少金属丝网变形，保持原始丝网强度，提高丝网的使用寿命。
(5)光催化活性更好
采用本发明可以直接生成B、N共掺杂的TiO2，通过掺杂B、N可以减少的TiO2禁带宽度，使其在可见光范围内能得到响应，提高光催化活性。
(6)金属丝网负载TiO2催化剂重复使用率高
本发明采用在较低温度下，将TiO2负载在金属丝网上，没有采用粘结剂或者凝胶等，在催化剂发生催化反应时，不会发生TiO2催化剂脱落、光催化性能降低现象，故重复使用率高。
(7)能耗小，成本低
本发明是在较低温度先同步完成TiO2的B、N共掺杂和金属上负载，因此具有工艺简单、能耗小、成本低的特点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法原理图。
图2是本发明实施例提供的B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法流程图。
图3是本发明实施例提供的B、N共掺杂TiO2光催化剂合成装置示意图；
图中：1.氧气瓶；2.氧气流量计；3.氮气流量计；4.供硼室盖板；5.第一热电偶；6.供硼管；7.第一真空压力表；8氮气进气阀门；9.氧气进气阀门；10.进气管；11.控制阀；12.反应室盖板；13.第二热电偶；14.放气阀；15.真空泵；16.出气管；17.排气阀；18.第二真空压力表；19.加热电阻丝；20.金属丝网；21.反应室；22.钛粉末；23.物料托盘；24.物料支架；25.供硼气氛控制阀门；26耐火砖；27.供硼室；28.活性硼原子；29.供硼剂；30.过滤网；31.氮气瓶；32.第三真空压力表。
图4是本发明实施例提供的低温催化渗硼氧化负载法制备的TiBN沉积层示意图。
图5是本发明实施例提供的低温催化渗硼氧化制备的金属丝网负载TiO2的实物图。
图6是本发明实施例提供的低温催化渗硼氧化制备的金属丝网负载TiO2的扫描电子图像。
图7(a)是本发明实施例提供的低温催化渗硼氧化制备的TiBN沉积层XRD检测示意图。
图7(b)是本发明实施例提供的低温催化渗硼氧化制备的TiBN沉积层550℃、1h氧化处理后的XRD检测示意图。
图8是本发明实施例提供的低温催化渗硼氧化制备的金属丝网负载TiO2的UV-vis漫反射光谱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题如负载型光催化剂结合强度低，易剥落；重复利用率低；对设备要求高，能耗大；成本高，不适合批量生产。本发明提供了一种B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法包括：
进行供硼剂的制备，通过加热制备的所述供硼剂得到B原子、N原子，令得到的B原子、N原子与加热后的Ti粉末发生自蔓燃反应，在金属丝网沉积生成TiBN；
令生成的TiBN与O2发生氧化反应形成B2O3、TiO2，液态B2O3渗入TiO2中形成B掺杂的TiO2，同时掺杂B和N的TiO2负载在金属丝网上，即得到B、N共掺杂TiO2光催化剂。
本发明实施例提供的B原子、N原子与加热后的Ti粉末发生自蔓燃反应，在金属丝网沉积生成TiBN，实物如图4所示，化学式如下：
2Ti+N2+2B＝2TiBN。
本发明实施例提供的生成的TiBN与O2发生氧化反应形成B2O3、TiO2化学式如下：
2TiBN+3.5O2＝2TiO2(s)+B2O3(l)+N2(g)
其中，s、l和g分别表示固体、液体和气体。
如图2所示，本发明实施例提供的B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法包括以下步骤：
S101，进行供硼剂的制备；将制备的供硼剂放置于供硼室内，同时将预先获取的纯度为99％、粒度为200目的钛粉末和金属丝网放置于反应室内，盖上供硼室和反应室盖板，并关闭所有阀门；
S102，将所述供硼室、反应室抽真空至-0.1MPa；向真空的供硼室中注入95％的N2和5％O2至第二压力表为+0.1MPa；气体注入结束后，控制供硼室的温度加热至850℃，保温时间1h；同时控制反应室温度加热至580℃±10℃，保温时间30min；
S103，判断反应室的温度是否达到580℃，若达到，则向供硼室中充入氮气，打开供硼室、反应室的连接阀门，令供硼室中的由供硼剂加热生成的B原子、N原子从供硼室进入反应室同时与钛粉末和金属丝网反应，在金属丝网上沉积TiBN薄膜；
S104，判断反应室达到预设阈值是否超过1.5h，若超过，则停止向供硼室充入氮气，同时关闭供硼室、反应室的连接阀门，并向反应室中注入氧气，令沉积的TiBN薄膜发生氧化反应，保温1.0-1.5h之后停止注入氧气；
S105，待合成装置降温至室温时，打开排气阀，再打开盖板，取出负载有B、N共掺杂TiO2光催化剂的金属丝网，即可。
本发明实施例提供的供硼剂的制备方法包括：
首先，按质量百分数称取6wt％B、4wt％B4C、10wt％B-Fe、3wt％Al2O3、7wt％Si、10wt％木炭和60wt％石墨的粉末，过50-150目筛；
其次，将称取的B、B4C、B-Fe、Al2O3、Si、木炭和石墨的粉末填装至混料机，混合24h，得到供硼剂。
如图3所示，B、N共掺杂TiO2光催化剂合成装置设置有：
氧气瓶1、氧气流量计2、氮气流量计3、供硼室盖板4、第一热电偶5、供硼管6、第一真空压力表7、氮气进气阀门8、氧气进气阀门9、进气管10、控制阀11、反应室盖板12、第二热电偶13、放气阀14、真空泵15、出气管16、排气阀17、第二真空压力表18、加热电阻丝19、反应室20、金属丝网21、钛粉末22、物料托盘23、物料支架24、供硼气氛控制阀门25、耐火砖26、供硼室27、活性硼原子28、供硼剂29、过滤网30、氮气瓶31、第三真空压力表32。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1：
低温催化渗硼氧化负载法装置如图1所示。主要是有以下部分组成：1.氧气瓶，2.氧气流量计，3.氮气流量计，4.供硼室盖板，5.热电偶1，6.供硼管，7.第一真空压力表，8氮气进气阀门，9.氧气进气阀门，10.进气管，11.控制阀，12.反应室盖板，13.热电偶2，14.放气阀，15.真空泵，16.出气管，17.排气阀，18.第二真空压力表，19.加热电阻丝，20.金属丝网，21.反应室，22.钛粉末，23.物料托盘，24.物料支架，25.供硼气氛控制阀门，26耐火砖，27.供硼室，28.活性硼原子，29.供硼剂，30.过滤网，31.氮气瓶，32.第三真空压力表。
所述的自制供硼剂(28)，其成分组成为：6wt％B+4wt％B4C+10wt％B-Fe+3wt％Al2O3+7wt％Si+10wt％木炭+60wt％石墨。各组分均为固体粉末，颗粒度100-150目。其中B和B4C为供硼剂，加热时产生活性B原子；Al2O3、木炭和石墨为添加剂；B-Fe为催化剂。
制备金属丝网负载TiO2光催化剂时，按图1所示将供硼剂(29)装入合成装置的供硼室(27)；将物料托盘(23)、钛粉末(22)装入反应室(21)内，盖上供硼室盖板(4)和反应室盖板(12)。首先关闭所有阀门开关，然后打开控制阀(11)，和供硼气氛控制阀门(25)，将供硼室(27)和反应室(21)抽真空到-0.1MPa，关闭控制阀(11)，开启氮气进气阀门8，氧气进气阀门9向供硼室充入95％N2和5％O2，使压力表2到+0.1MPa，然后关闭氮气进气阀门8、氧气进气阀门9和供硼气氛控制阀门25，然后开启供硼室(27)和反应室(21)电源开关，供硼室(27)加热温度为850℃，保温时间1小时；反应室(21)加热温度为580℃，保温时间0.5小时。当反应室(21)温度为580℃时，打开N2控制阀门(3)、(8)和控制阀(11)，以及供硼气氛控制阀门(25)。此时加热供硼剂产生的活性B原子、N原子(28)从左侧供硼室(27)进入右侧反应室(21)一起与钛粉末发生自蔓燃反应在金属丝网上沉积生成TiBN层。化学反应按如下方程式进行：
2Ti+N2+2B＝2TiBN (1)
反应室到达设定反应温度580℃后，保温1.5小时，然后关闭N2控制阀门(3)和供硼气氛控制阀门(25)，并即刻开启氧气控制阀(2)和(9)开始提供O2。此时发生如下化学反应：
2TiBN+3.5O2＝2TiO2(s)+B2O3(l)+N2(g) (2)
方程式中的s、l和g分别代表固体、液体和气体。生成产物中的TiO2为固态，大约在400℃就开始形成；B2O3的熔点为450℃，在加热温度区间内B2O3为液态；N形成N2气。
再接着保温1.5小时之后关闭氧气控制阀(2)和(9)。待合成装置降温至室温时，打开盖板前先打开排气阀(17)，取出金属丝网，如图5所示。
Ti粉末与B和N发生自蔓燃反应，在金属丝网沉积生成TiBN。TiBN与O2发生氧化反应，氧化从TiBN层外部开始，加热时TiBN中B优先形成B2O3，液态B2O3可以渗入到TiO2，形成B掺杂的TiO2，而掺杂B和N的TiO2会负载在金属丝网上。
实施例2
按合成步骤所述准备好供硼剂和钛粉末，并将它们分别装入合成装置的左侧供硼室和右侧反应室，盖上盖板后开启电源开关，供硼室加热温度为850℃，并保温1h。反应室温度在580℃时，打开N2流量计和控制阀和开启供硼气氛控制阀，使N和B原子与钛发生自蔓燃反应生成TiBN沉积在金属丝网上，并开始保温1小时。1小时以后停止提供N2和B源，开启氧气控制阀，在供O2状态下再保温1.5小时，待温度降到室温，打开排气阀，取出金属丝网。对金属丝网上的反应生成物进行晶格常数检测，检测结果见表1。由与标准TiO2晶格常数的对比可知，合成TiO2的晶格常数大于标准值(PDF#21-1276)。晶格常数的增大是由B在TiO2中的固溶所致。
表1TiO2晶格常数的对比
Figure BDA0003357126750000121
实施例3
按合成步骤所述准备好供硼剂和钛粉末，并将它们分别装入合成装置的左侧供硼室和右侧反应室，盖上盖板后开启电源开关，供硼室加热温度为850℃，反应室温度在580℃时打开N2流量计和控制阀和开启供硼气氛控制阀，使N和B原子与钛发生自蔓燃反应在金属丝网上沉积TiBN，当反应室温度达到580℃时，开始保温1小时，然后停止提供N2和B源，待温度降到室温，打开排气阀，取出金属丝网，此时的金属丝网颜色为金黄色，如图4所示。
按合成步骤所述准备好供硼剂和钛粉末，并将它们分别装入合成装置的左侧供硼室和右侧反应室，盖上盖板后开启电源开关，供硼室加热温度为850℃，反应室温度在580℃时打开N2流量计和控制阀和开启供硼气氛控制阀，使N和B原子与钛发生自蔓燃反应在金属丝网上沉积TiBN，并保温1小时。保温之后当反应室温度降到550℃时，然后停止提供N2和B源，开启氧气控制阀，在供O2状态下再保温1小时，停止供氧气，待温度降到室温，打开排气阀，取出金属丝网，金属丝网变成灰白色，如图5所示。图5中显示B、N共掺杂的TiO2呈现灰白色。
实施例4
图8中显示了B，N共掺杂TiO2颗粒的UV-vis光谱，表明B，N共掺杂TiO2颗粒的吸收边向更高波长移动，并且B,N共掺杂的TiO2出现了更显著的红移。依据图能获得B，N共掺杂TiO2光催化剂的能带宽度2.36eV。该值远小于纯锐钛矿型TiO2(3.2eV)，证实N和B，N已成功掺杂到合成的TiO2晶格中。因此，(B，N)共掺杂TiO2的光学特性表明，这种光催化剂可被可见光激活。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法，其特征在于，所述B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法包括：
进行供硼剂的制备，通过加热制备的所述供硼剂得到B原子、N原子，令得到的B原子、N原子与加热后的Ti粉末发生自蔓燃反应，在金属丝网沉积生成TiBN；
令生成的TiBN与O2发生氧化反应形成B2O3、TiO2，液态B2O3渗入TiO2中形成B掺杂的TiO2，同时掺杂B和N的TiO2负载在金属丝网上，即得到B、N共掺杂TiO2光催化剂。
2.如权利要求1所述B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法，其特征在于，步骤一中，所述供硼剂的制备方法包括：
首先，按质量百分数称取6wt％B、4wt％B4C、10wt％B-Fe、3wt％Al2O3、7wt％Si、10wt％木炭和60wt％石墨的粉末，过50-150目筛；
其次，将称取的B、B4C、B-Fe、Al2O3、Si、木炭和石墨的粉末填装至混料机，混合24h，得到供硼剂。
3.如权利要求1所述B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法，其特征在于，所述B原子、N原子与加热后的Ti粉末发生自蔓燃反应，在金属丝网沉积生成TiBN化学式如下：
2Ti+N2+2B＝2TiBN。
4.如权利要求1所述B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法，其特征在于，所述生成的TiBN与O2发生氧化反应形成B2O3、TiO2化学式如下：
2TiBN+3.5O2＝2TiO2(s)+B2O3(l)+N2(g)；
其中，s、l和g分别表示固体、液体和气体。
5.如权利要求1所述B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法，其特征在于，所述B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法包括以下步骤：
步骤一，进行供硼剂的制备；将制备的供硼剂放置于供硼室内，同时将预先获取的钛粉末和金属丝网放置于反应室内，盖上供硼室和反应室盖板，并关闭所有阀门；
步骤二，将所述供硼室、反应室抽真空至-0.1MPa；向真空的供硼室中注入氮气与氧气；气体注入结束后，控制供硼室进行加热；同时控制反应室进行加热；
步骤三，判断反应室的温度是否达到预设阈值，若达到，则向供硼室中充入氮气，打开供硼室、反应室的连接阀门，令供硼室中的由供硼剂加热生成的B原子、N原子从供硼室进入反应室，同时与钛粉末和金属丝网反应，在金属丝网上沉积TiBN薄膜；
步骤四，判断反应室达到预设阈值是否超过1.5h，若超过，则停止向供硼室充入氮气，同时关闭供硼室、反应室的连接阀门，并向反应室中注入氧气，令沉积的TiBN薄膜发生氧化反应，保温1.0-1.5h之后停止注入氧气；
步骤五，待合成装置降温至室温时，打开排气阀，再打开盖板，取出负载有B、N共掺杂TiO2光催化剂的金属丝网，即可。
6.如权利要求5所述B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法，其特征在于，步骤一中，所述预先获取的钛粉末的纯度为99％、粒度为200目；
步骤一中，所述注入氮气与氧气包括：充入95％的N2和5％O2至真空压力表为+0.1MPa。
7.如权利要求5所述B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法，其特征在于，步骤二中，所述控制供硼室与反应室的加热包括：
将供硼室的温度加热至850℃，保温时间1h；将反应室温度加热至580℃±10℃，保温时间30min；
步骤三中，所述反应室温度预设阈值为580℃。
8.一种利用权利要求1～7任意一项所述制备方法制备的B、N共掺杂TiO2光催化剂。
9.一种实施如权利要求1-7任意一项所述B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法的B、N共掺杂TiO2光催化剂合成装置，其特征在于，所述B、N共掺杂TiO2光催化剂合成装置设置有：
氧气瓶、氧气流量计、氮气流量计、供硼室盖板、第一热电偶、供硼管、第一真空压力表、氮气进气阀门、氧气进气阀门、进气管、控制阀、反应室盖板、第二热电偶、放气阀、真空泵、出气管、排气阀、第二真空压力表、加热电阻丝、反应室、金属丝网、钛粉末、物料托盘、物料支架、供硼气氛控制阀门、耐火砖、供硼室、活性硼原子、供硼剂、过滤网、氮气瓶、第三真空压力表。
10.一种半导体光催化材料器件，其特征在于，所述半导体光催化材料器件由权利要求1-7任意一项所述B、N共掺杂TiO2光催化剂负载化制备方法制备。
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