高效二氧化鈦光催化劑及其制備和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種高效二氧化鈦光催化劑的制備方法及應(yīng)用。量取氨水，在攪拌中，加入電解質(zhì)；將鈦酸四丁酯滴入上述溶液中，在鈦酸酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均勻；將混合均勻的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在120～180℃下水熱反應(yīng)12～72小時(shí)；反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用蒸餾水、無水乙醇洗滌，然后在60～80℃下干燥6～24小時(shí)，即得到具有高效催化活性的二氧化鈦光催化劑。本發(fā)明要解決的是納米晶二氧化鈦比表面積小、光催化活性差及合成工藝復(fù)雜等問題。該高效催化劑的制備方法簡單，無需模板劑，成本低廉，比表面積大，催化性能優(yōu)異，后處理方法簡單，適合于大規(guī)模制備。
【專利說明】高效二氧化鈦光催化劑及其制備和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及二氧化鈦催化劑的制備領(lǐng)域，特別是涉及一種高催化活性的二氧化鈦的制備方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類對賴以生存的化石能源的過度使用導(dǎo)致了溫室效應(yīng)、大氣污染、土壤污染、水污染等一系列嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，從而極大的破壞了地球的生態(tài)環(huán)境。環(huán)境污染除了給生態(tài)系統(tǒng)造成直接的破壞和影響外，污染物的積累和遷移、轉(zhuǎn)化還會(huì)引起各種衍生的環(huán)境效應(yīng)，給生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)造成間接的更嚴(yán)重的危害。因此，解決環(huán)境問題從而實(shí)現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展成為二十一世紀(jì)極具挑戰(zhàn)性的課題。光催化氧化法是近年來出現(xiàn)的高級水處理技術(shù)，在一定的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)通?？梢詫⒂袡C(jī)物完全礦化為CO2和H2O等簡單無機(jī)物，避免了二次污染，簡單、高效，是一種應(yīng)用性很強(qiáng)的高級氧化技術(shù)。半導(dǎo)體光催化劑TiO2由于無毒、價(jià)廉、穩(wěn)定性高和優(yōu)異的光電性能而引起了人們的廣泛關(guān)注。但是，傳統(tǒng)的TiO2光催化劑因光生電荷復(fù)合率高而限制了其大規(guī)模的環(huán)境應(yīng)用。因此，如何進(jìn)一步提高TiO2光催化劑的光催化效率成為函待解決的問題。
[0003]眾所周知，TiO2是一種非常穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料，紫外光激發(fā)后能產(chǎn)生電子和空穴對，電子和空穴對的復(fù)合幾率決定了對光的利用率。電子和空穴對的復(fù)合幾率是由TiO2的粒子尺寸、相結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、比表面積等特性決定的。通常，銳鈦礦相TiO2具有最高的光催化活性。較小的粒子尺寸使得TiO2具有較高的比表面積，從而有利于提高表面反應(yīng)和提供更多的活性中心。高的結(jié)晶度使得TiO2具有較少的表面缺陷，可以減少光生電子和空穴的復(fù)合中心，從而提高光催化活性。為了提高結(jié)晶度，通常需要進(jìn)行高溫焙燒，這樣就造成比表面積的降低和晶粒聚集，從而導(dǎo)致了較低的光催化效率。值得注意的是，多維材料具有高的活性位點(diǎn)及體積比而非常有利于反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散以及對光的吸收利用。因此，合成同時(shí)具有高結(jié)晶度和較大比表面積的銳鈦礦相多維納米TiO2光催化劑有利于大大提高催化劑的光催化活性。然而，獲得同時(shí)具備這些特性的TiO2光催化劑目前仍是一挑戰(zhàn)性課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有二氧化鈦光催化劑比表面積小、光催化活性低、效率差、合成工藝復(fù)雜等技術(shù)問題，通過調(diào)節(jié)電解質(zhì)的強(qiáng)度來制備具有高比表面積、高催化活性的不同形貌二氧化鈦催化劑。并且該方法工藝和流程簡便，參數(shù)可調(diào)范圍寬，成本低，性能穩(wěn)定，可重復(fù)性強(qiáng)，具有潛在的工業(yè)應(yīng)用前景。
[0005]一種高效二氧化鈦光催化劑的制備方法，其特征在于，包括如下工藝步驟:
(O量取氨水，在攪拌中，加入電解質(zhì)；
(2)將鈦酸四丁酯滴入上述溶液中，在鈦酸酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均
勻；
(3)將混合均勻的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在120?180°C下水熱反應(yīng)12?72小時(shí)；
(4)反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用蒸餾水、無水乙醇洗滌，然后在60?80°C下干燥6?24小時(shí)，即得到具有高效催化活性的二氧化鈦光催化劑。
[0006]步驟(I)中所述的電解質(zhì)為氯化鈉，氫氧化鈉，碳酸鈉，磷酸鈉中的一種。
[0007]步驟(2)中所述的鈦源為硫酸鈦、或鈦酸四丁酯，或鈦酸異丙酯。
[0008]步驟(2)中所述加入的鈦酸酯與電解質(zhì)的摩爾比為10: f 40:1。
[0009]步驟(5)中所述的干燥方法為常壓干燥，或真空干燥。
[0010]根據(jù)上述任意一項(xiàng)所述方法制備得到的高效二氧化鈦光催化劑。
[0011 ] 高效二氧化鈦光催化劑在降解染料中的應(yīng)用。
[0012]本發(fā)明所述的一種高效二氧化鈦光催化劑的制備及應(yīng)用，其特征在于:采用鈦酸酯為原料，氨水為溶劑等，并在攪拌過程中加入電解質(zhì)、酸及蒸餾水，攪拌均勻后，轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯中水熱反應(yīng)一段時(shí)間后，通過離子強(qiáng)度的調(diào)節(jié)得到高比表面積、高催化活性的不同形貌納米二氧化鈦光催化劑。該制備方法所獲得二氧化鈦納米活性位點(diǎn)多、比表面積大、催化活性高，產(chǎn)物性質(zhì)穩(wěn)定。
[0013]本發(fā)明制備的二氧化鈦納米材料，具有較大的比表面積，且具有非常高的結(jié)晶度。本發(fā)明方法制備的二氧化欽光催化劑活性位點(diǎn)多，這有利于反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散以及對光的吸收利用。由本發(fā)明方法制備的納米二氧化欽光催化劑具有很高的光催化活性，在紫外光照射下，可以有效地催化降解空氣和水中的有機(jī)污染物。合成工藝簡單、成本低、產(chǎn)量高、所需設(shè)備簡易，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1:實(shí)施例1所得到的二氧化鈦的SEM圖譜。
[0015]圖2:實(shí)施例2所得到的二氧化鈦的SEM圖譜。
[0016]圖3:實(shí)施例3所得到的二氧化鈦的SEM圖譜。
[0017]圖4:實(shí)施例1，2，3所得到的產(chǎn)物的XRD圖譜。
[0018]圖5:實(shí)施例1，2，3所得到的產(chǎn)物的光催化效率曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，其目的僅在于更好理解本發(fā)明的內(nèi)容。因此，所舉之例并不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0020]實(shí)施例1:
(I)量取68 ml的氨水，在攪拌中，加入1.1 g的NaOH作為電解質(zhì)。
[0021](2)將7.8 ml的鈦酸四丁酯加入上述溶液中，在鈦酸酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均勻。
[0022](3)將混合均勻的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在180 °C下水熱反應(yīng)24 h。
[0023](4)反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用蒸餾水、無水乙醇洗滌，然后在80 °C下干燥12h，即得到具有高效催化活性的二氧化鈦光催化劑。
[0024]將步驟(4)中所得產(chǎn)物分別用SEM、XRD對其結(jié)構(gòu)和晶型進(jìn)行表征，圖1為此反應(yīng)條件所得的TiO2納米短棒的形貌。從圖中可以看出，制備的產(chǎn)物粒徑均勻，直徑約為20 nm,長度約為100 nm。從XRD圖中可以看出，采用NaOH為電解質(zhì)，產(chǎn)物為銳鈦礦晶型。
[0025]實(shí)施例2:
(I)量取68 ml的氨水，在攪拌中，加入4.3 g的Na2CO3作為電解質(zhì)。
[0026](2)將1.5 g的硫酸鈦加入上述溶液中，在鈦酸酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均勻。
[0027](3)將混合均勻的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在150 °C下水熱反應(yīng)24 h。
[0028](4)反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用蒸餾水、無水乙醇洗滌，然后在80 °C下干燥12h，即得到具有高效催化活性的二氧化鈦光催化劑。
[0029]將步驟(4)中所得產(chǎn)物分別用SEM、XRD對其結(jié)構(gòu)和晶型進(jìn)行表征，圖2為此反應(yīng)條件所得的TiO2納米片的形貌。從圖中可以看出，隨著電解質(zhì)的變化，產(chǎn)物的形貌也開始轉(zhuǎn)變，較大片的直徑約為50 nm，長度約為200 nm。從XRD圖可看出，產(chǎn)物有銳鈦礦和板鈦礦兩種晶型。
[0030]實(shí)施例3:
(I)量取68 ml的氨水，在攪拌中，加入6.8 g的Na3PO4作為電解質(zhì)。
[0031](2)將8.5 ml的異丙醇鈦加入上述溶液中，在鈦酸酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均勻。
[0032](3)將混合均勻的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在180 °C下水熱反應(yīng)24 h。
[0033](4)反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用蒸餾水、無水乙醇洗滌，然后在80 °C下干燥12h，即得到具有高效催化活性的二氧化鈦光催化劑。
[0034]將步驟(4)中所得產(chǎn)物分別用SEM、XRD對其結(jié)構(gòu)和晶型進(jìn)行表征，圖3為此反應(yīng)條件所得的TiO2納米片的形貌。從圖中可以看出，隨著電解質(zhì)的變化，產(chǎn)物的形貌也開始轉(zhuǎn)變，Na3PO4為電解質(zhì)時(shí)，產(chǎn)物的形貌是納米棒，直徑約為100 nm左右，長度約為2 --m。從XRD圖可看出，產(chǎn)物有銳鈦礦和板鈦礦兩種晶型。
[0035]實(shí)施例4:
(I)量取68 ml的氨水，在攪拌中，加入4.3 g的Na3PO4作為電解質(zhì)。
[0036](2)將8.5 ml的異丙醇鈦加入上述溶液中，在鈦酸酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均勻。
[0037](3)將混合均勻的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在150 °C下水熱反應(yīng)24 h。
[0038](4)反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用蒸餾水、無水乙醇洗滌，然后在80 °C下干燥12h，即得到具有高效催化活性的二氧化鈦光催化劑。
[0039]實(shí)施例5
(I)量取68 ml的氨水，在攪拌中，加入6.8 g的Na3PO4作為電解質(zhì)。
[0040](2)將8.5 ml的異丙醇鈦加入上述溶液中，在鈦酸酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均勻。
[0041](3)將混合均勻的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在150 °C下水熱反應(yīng)36 h。
[0042](4)反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用蒸餾水、無水乙醇洗滌，然后在80 °C下干燥12h，即得到具有高效催化活性的二氧化鈦光催化劑。
【權(quán)利要求】
1.一種高效二氧化鈦光催化劑的制備方法，其特征在于，包括如下工藝步驟: (O量取氨水，在攪拌中，加入電解質(zhì)； (2)將鈦酸四丁酯滴入上述溶液中，在鈦酸酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使之混合均勻； (3)將混合均勻的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在120~180°C下水熱反應(yīng)12~72小時(shí)； (4)反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用蒸餾水、無水乙醇洗滌，然后在60~80°C下干燥6~24小時(shí)，即得到具有高效催化活性的二氧化鈦光催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高效二氧化鈦光催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述的電解質(zhì)為氯化鈉，氫氧化鈉，碳酸鈉，磷酸鈉中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述高效二氧化鈦光催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述的鈦源為硫酸鈦、或鈦酸四丁酯，或鈦酸異丙酯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述高效二氧化鈦光催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述加入的鈦酸酯與電解質(zhì)的摩爾比為10: 1~40:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述高效二氧化鈦光催化劑的制備方法，其特征在于，步驟(5)中所述的干燥方法為常壓干燥，或真空干燥。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述方法制備得到的高效二氧化鈦光催化劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述高效二氧化鈦光催化劑在降解染料中的應(yīng)用。
【文檔編號】B01J21/06GK103657622SQ201310639547
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】林琳, 趙斌, 何丹農(nóng) 申請人:上海納米技術(shù)及應(yīng)用國家工程研究中心有限公司