CN1631521A - 高效二氧化钛光催化剂制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效二氧化钛光催化剂的制备方法，它是以廉价易得的无机钛盐和氨水沉淀剂为主要原料，并选用一种稀土元素，如镧、铈、镨、钕等，作为掺杂改性成分，采用共沉淀—煅烧法，方法主要包括步骤有：共沉淀反应－共沉淀物洗涤－沉淀产物干燥－煅烧、研磨等，最后制备获得掺杂改性的纳米二氧化钛光催化剂，通过该方法制得的光催化剂具有比其它方法更高的催化活性，制造成本低，易于实现工业化生产。

Description

高效二氧化钛光催化剂制备方法

技术领域

本发明属于环境化工、新材料技术领域，具体涉及一种高效二氧化钛光催化剂的制备方法。

背景技术

目前，国内外二氧化钛光催化剂的制备方法主要有Sol-gel法、水热法、沉淀—煅烧法、四氯化钛高温气相氧化法、钛醇盐水解法。商业化生产的二氧化钛催化剂一般是通过四氯化钛高温气相氧化制得。为了提高二氧化钛光催化剂的催化性能，人们进行了多种二氧化钛的掺杂改性研究，使二氧化钛光催化剂的催化活性得到不同程度的提高。但掺杂改性的方法一般是溶胶—凝胶法、水热法、吸附—煅烧法、离子注入法、光化学沉积法等，改性的效果随掺杂元素的种类和方法不同而不同。这些掺杂改性方法一般存在制造成本高或对设备要求高，难于实现规模化工业生产的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种高效二氧化钛光催化剂的制备方法，以廉价易得的无机钛盐和氨水沉淀剂为主要原料，并选用一种稀土元素(如镧等)作为掺杂改性成分，采用共沉淀—煅烧法制备了掺杂改性的纳米二氧化钛光催化剂，获得比其它方法高的催化活性，并且易于实现工业化生产。

本方法采用共沉淀—煅烧法制备纳米二氧化钛光催化剂，主要制备步骤如以下：

1、共沉淀反应：

首先配制浓度约1mol.L^-1的TiCl₄水溶液，然后按掺杂稀土元素(如镧、铈、镨、钕等)与所用TiCl₄水溶液所能够制备的TiO₂的重量比为0.5～1.5％称取稀土金属的硝酸盐，并将其加入到TiCl₄水溶液中，使之溶解形成TiO²⁺和稀土金属离子(如La³⁺等)的混合溶液。在充分搅拌条件下，慢慢向混合溶液中先加入按化学计量的氨水，进行中和沉淀反应，并接着补加一定量氨水使溶液pH值达到可以使溶液中的稀土金属离子沉淀完全的pH值以上，如要使La³⁺沉淀完全(La³⁺＜10^-5mol.L^-1)，应使溶液pH值达到9.33以上，然后接着搅拌反应30min.。整个过程发生如下反应：

2、共沉淀产物的洗涤：

在共沉淀反应过程中得到的共沉淀产物，经过离心或过滤分离出来。然后，用浓度为0.5mol.L^-1左右的稀氨水溶液对分离出来的沉淀产物进行充分洗涤三次以上，以便除去沉淀产物中的NH₄Cl，并使沉淀产物中吸附少量的氨水。

3、沉淀产物的干燥

经过氨洗后的沉淀产物在60～80℃真空干燥至能够研磨成粉末状。

4、煅烧、研磨制备光催化剂：

经过真空干燥并适当研磨成粉末的沉淀物，在800℃下于马弗炉中煅烧2～3h，然后随炉冷却至室温，取出、研磨后得到掺杂改性的二氧化钛光催化剂。

本发明方法的创造性主要表现在把纳米二氧化钛光催化剂的掺杂改性过程与易于实现规模化生产的沉淀—煅烧过程有机结合起来，大大简化掺杂改性过程，生产成本低，并通过控制工艺条件可以使氮和一种稀土元素共掺于纳米二氧化钛光催化剂中，得到的二氧化钛光催化剂活性高于其它方法。经过用不同方法掺杂改性的二氧化钛光催化剂的光催化降解模型有机污染物(罗丹明B)的对比实验，证明了用本方法制备的二氧化钛光催化剂具有比其它方法高的催化活性。

用本发明方法制造的二氧化钛光催化剂由于催化活性高，因而在环境科学与工程应用领域具有很大的潜力，由于制备过程的特点，可以在现有湿化学法生产二氧化钛的企业中直接使用，不需新增大量设备投资。因此，该项技术具有广阔的应用前景。

具体实施方式

实施例1：

1、共沉淀反应：

首先配制浓度约1mol.L^-1的TiCl₄水溶液100L，然后加入含80g镧的硝酸盐，使之溶解形成TiO²⁺和La³⁺的混合溶液。在充分搅拌条件下，慢慢向混合溶液中先加入按化学计量的氨水，进行中和沉淀反应，并接着补加一定量氨水使溶液pH＞9.33，使溶液中的稀土金属离子La³⁺沉淀完全(La³⁺＜10^-5mol.L^-1)，然后接着搅拌反应30min.。整个过程发生如下反应：

2、共沉淀产物的洗涤：

在共沉淀反应过程中得到的共沉淀产物，经过离心或过滤分离出来。然后，用浓度为0.5mol.L^-1左右的稀氨水溶液对分离出来的沉淀产物进行充分洗涤三次以上，以便除去沉淀产物中的NH₄Cl，并使沉淀产物中吸附少量的氨水。

3、沉淀产物的干燥

经过氨洗后的沉淀产物在60～80℃真空干燥至能够研磨成粉末状。

4、煅烧、研磨制备光催化剂：

经过真空干燥并适当研磨成粉末的沉淀物，在800℃下于马弗炉中煅烧2～3h，然后随炉冷却至室温，取出、研磨后得到掺杂改性的二氧化钛光催化剂。

对上述方法获得的光催化剂的性能评价：

以罗丹明B(10mg/L的水溶液)为光催化降解的模型有机污染物，按光催化剂用量为2g/L与罗丹明B溶液形成悬浮体系，用功率为50W的中压汞灯作照射光源，光源出口处离光催化反应体系的距离为6cm，侧面照射，悬浮体系在磁力搅拌作用下进行光催化降解反应，以光催化反应1h罗丹明B的降解率来评价光催化剂性能。用本实施例制备的掺镧改性二氧化钛光催化剂与常用的吸附—煅烧法、溶胶—凝胶法在最佳条件下制备的掺镧改性光催化剂的性能比较如下表1所示。X—射线衍射研究表明，用本实施例制备的掺杂(如镧)改性二氧化钛光催化剂具有锐钛型晶体结构，并含有微量的金红石晶体结构。

    表1 不同制备方法所得掺镧改性二氧化钛光催化剂的性能比较

制备方法	最佳制备条件	对罗丹明B的降解率
			本发明方法(共沉淀—煅烧法)	掺La1％，煅烧温度800℃，时间2h	74.77％

吸附—煅烧法	掺La3％，煅烧温度800℃，时间2h	62.6％
			溶胶—凝胶法	掺La1％，煅烧温度600℃，时间2h	42.6％

实施例2：

1、共沉淀反应：首先配制浓度约1mol.L^-1的TiCl₄水溶液200L，然后加入含Ce³⁺为160g的硝酸盐，使之溶解形成TiO²⁺和Ce³⁺的混合溶液，在充分搅拌条件下，慢慢向混合溶液中加入按化学计量的氨水，进行中和沉淀反应，并接着补加一定量氨水使溶液pH＞9.06，使溶液中的Ce³⁺沉淀完全，然后接着搅拌反应30min.。整个过程发生如下反应：

2、共沉淀产物的洗涤：

在共沉淀反应过程中得到的共沉淀产物，经过离心或过滤分离出来，然后，用浓度约为0.5mol.L^-1的稀氨水溶液对分离出来的沉淀产物进行充分洗涤三次以上，以除去沉淀产物中的NH₄Cl，并使沉淀产物中吸附少量的氨水；

3、沉淀产物的干燥

经过氨洗后的沉淀产物在60-80℃真空干燥至能够研磨成粉末状；

4、煅烧、研磨制备光催化剂

经过真空干燥并经研磨成粉末的沉淀物，在800℃下于马弗炉中煅烧2~3h，然后随炉冷却至室温，取出、研磨后得到掺杂改性的二氧化钛光催化剂。

实施例3：

1、共沉淀反应：首先配制浓度约1mol.L^-1的TiCl₄水溶液500L，然后加入含Pr³⁺为400g的硝酸盐，使之溶解形成TiO²⁺和Pr³⁺的混合溶液，在充分搅拌条件下，慢慢向混合溶液中加入按化学计量的氨水，进行中和沉淀反应，并接着补加一定量氨水使溶液pH＞8.61，使溶液中的Pr³⁺沉淀完全，然后接着搅拌反应30min.。整个过程发生如下反应：

2、共沉淀产物的洗涤：

在共沉淀反应过程中得到的共沉淀产物，经过离心或过滤分离出来，然后，用浓度约为0.5mol.L^-1的稀氨水溶液对分离出来的沉淀产物进行充分洗涤三次以上，以除去沉淀产物中的NH₄Cl，并使沉淀产物中吸附少量的氨水；

3、沉淀产物的干燥

经过氨洗后的沉淀产物在60-80℃真空干燥至能够研磨成粉末状；

4、煅烧、研磨制备光催化剂

经过真空干燥并经研磨成粉末的沉淀物，在800℃下于马弗炉中煅烧2~3h，然后随炉冷却至室温，取出、研磨后得到掺杂改性的二氧化钛光催化剂。

Claims (2)

1、高效二氧化钛光催化剂制备方法，其特征在于采用共沉淀—煅烧法，主要制备步骤如下：

(1)共沉淀反应：

首先配制浓度约1mol.L^-1的TiCl₄水溶液，然后按掺杂稀土元素与所用TiCl₄水溶液所能够制备的TiO₂的重量比为0.5～1.5％称取稀土金属的硝酸盐，并将其加入到TiCl₄水溶液中，使之溶解形成TiO²⁺和稀土金属离子的混合溶液；在充分搅拌条件下，慢慢向混合溶液中先加入按化学计量的氨水，进行中和沉淀反应，并接着补加一定量氨水使溶液pH值达到可以使溶液中的稀土金属离子沉淀完全的pH值以上，然后接着搅拌反应30min.。整个过程发生如下反应：

(2)共沉淀产物的洗涤：

在共沉淀反应过程中得到的共沉淀产物，经过离心或过滤分离出来；然后，用浓度为0.5mol.L^-1左右的稀氨水溶液对分离出来的沉淀产物进行充分洗涤三次以上，以便除去沉淀产物中的NH₄Cl，并使沉淀产物中吸附少量的氨水；

(3)沉淀产物的干燥：

经过氨洗后的沉淀产物在60～80℃真空干燥至能够研磨成粉末状；

(4)煅烧、研磨制备光催化剂：

经过真空干燥并适当研磨成粉末的沉淀物，在800℃下于马弗炉中煅烧2～3h，然后随炉冷却至室温，取出、研磨后得到掺杂改性的二氧化钛光催化剂。

2、根据权利要求1所述的高效二氧化钛光催化剂制备方法，其特征在于掺杂稀土元素选用镧、铈、镨、钕。