本發(fā)明涉及一種光催化劑及其制備方法。

背景技術(shù)：

光催化技術(shù)對(duì)于解決日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題具有廣闊的應(yīng)用前景。納米TiO₂是目前公認(rèn)的最具應(yīng)用前景的半導(dǎo)體光催化材料。在TiO₂的三種晶相結(jié)構(gòu)(板鈦礦、銳鈦礦、金紅石)中，銳鈦礦相光催化活性最高。然而，銳鈦礦納米TiO₂光生e-/h⁺復(fù)合率高，量子效率低；銳鈦礦相是亞穩(wěn)態(tài)，熱處理時(shí)容易轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)穩(wěn)定的金紅石相，導(dǎo)致光催化活性降低。基于金屬和非金屬離子表面修飾的協(xié)同作用進(jìn)一步提高納米TiO₂光催化活性的研究報(bào)道很多，但新型高性能TiO₂納米復(fù)合光催化材料的開發(fā)仍然面臨如下技術(shù)難題：如高效共摻雜劑的選擇、共摻雜劑的配伍、共摻雜改性技術(shù)、相結(jié)構(gòu)控制、半導(dǎo)體帶隙調(diào)控、表面結(jié)構(gòu)及缺陷控制等影響光催化性能的諸多重要因素的協(xié)同控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是要解決銳鈦礦納米TiO₂光生e-/h⁺復(fù)合率高、量子效率低的技術(shù)問題，提供了一種Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑及其制備方法。

Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑為均一的銳鈦礦相，平均粒徑為13.4nm，比表面積為126.5m²·g^-1。

Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑制備方法如下：

一、在冰水冷卻攪拌下，將1mL～10mL四氯化鈦滴加到1mL～20mL蒸餾水中，得到淡黃色TiCl₄溶液；

二、將0.1g～10g氟化銨溶于1mL～10mL蒸餾水中，得到氟化銨溶液；

三、在室溫磁力攪拌下，向TiCl₄溶液中滴加濃度為0.0001mol/L～2mol/L的五氯化鉭醇溶液，加入0.05mL～10mL濃度為0.1mol/L～10mol/L磷酸溶液和步驟二得到的氟化銨溶液，再加入1mL～30mL蒸餾水，連續(xù)攪拌0.5h～5h，得到無色透明溶膠，其中五氯化鉭與TiO₂質(zhì)量比為0.001％～20％；

四、將無色透明溶膠轉(zhuǎn)移至內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼反應(yīng)釜中，將釜蓋旋緊密封后置于烘箱中，在90℃～220℃水熱反應(yīng)0.5h～24h后，冷卻至室溫，用蒸餾水進(jìn)行抽濾洗滌，然后將濾餅轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿中放入真空干燥箱于80℃～150℃干燥1h～48h，即得Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑。

以4-氯酚(4-CP)水溶液在模擬太陽(yáng)光(500W氙燈)照射下的光催化降解來評(píng)價(jià)Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑光活性。在模擬太陽(yáng)光照射下，40mg的Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑對(duì)100mL初始濃度為20mg·L^-1的4-CP水溶液的光催化降解一級(jí)反應(yīng)表觀速率常數(shù)為K_app＝6.39×10^–2min^–1，約為商品P25TiO₂(K_app＝7.11×10^–3min^–1)的9倍。本發(fā)明強(qiáng)烈抑制了納米TiO₂銳鈦礦向金紅石相轉(zhuǎn)變，強(qiáng)烈抑制了光生e^-/h⁺復(fù)合，顯著提高了納米TiO₂光催化降解環(huán)境污染物效能，可以利用Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑在太陽(yáng)光照射下實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染的高效治理，其實(shí)用性能大幅度提升。

附圖說明

圖1是實(shí)驗(yàn)一中所得Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑的XRD圖；

圖2是實(shí)驗(yàn)一中所得Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑的BET分析圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式，還包括各具體實(shí)施方式間的任意組合。

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式所述Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑為均一的銳鈦礦相，平均粒徑為13.4nm，比表面積為126.5m²·g^-1。

具體實(shí)施方式二：具體實(shí)施方式一所述的Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑的制備方法如下：

一、在冰水冷卻攪拌下，將1mL～10mL四氯化鈦滴加到1mL～20mL蒸餾水中，得到淡黃色TiCl₄溶液；

二、將0.1g～10g氟化銨溶于1mL～10mL蒸餾水中，得到氟化銨溶液；

三、在室溫磁力攪拌下，向TiCl₄溶液中滴加濃度為0.0001mol/L～2mol/L的五氯化鉭醇溶液，加入0.05mL～10mL濃度為0.1mol/L～10mol/L磷酸溶液和步驟二得到的氟化銨溶液，再加入1mL～30mL蒸餾水，連續(xù)攪拌0.5h～5h，得到無色透明溶膠，其中五氯化鉭與TiO₂質(zhì)量比為0.001％～20％；

四、將無色透明溶膠轉(zhuǎn)移至內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼反應(yīng)釜中，將釜蓋旋緊密封后置于烘箱中，在90℃～220℃水熱反應(yīng)0.5h～24h后，冷卻至室溫，用蒸餾水進(jìn)行抽濾洗滌，然后將濾餅轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿中放入真空干燥箱于80℃～150℃干燥1h～48h，即得Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二不同的是步驟一中在冰水冷卻攪拌下，將4mL四氯化鈦滴加到10mL蒸餾水中，得到淡黃色TiCl₄溶液。其他與具體實(shí)施方式二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二或三不同的是步驟三中向TiCl₄溶液中滴加濃度為0.0016mol/L的五氯化鉭醇溶液。其他與具體實(shí)施方式二或三相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至四之一不同的是步驟三中所述五氯化鉭醇溶液的制備方法如下：

將0.0001g～2g五氯化鉭溶于1mL～10mL無水乙醇中，即得五氯化鉭醇溶液。其他與具體實(shí)施方式二至四之一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至五之一不同的是步驟三中所述五氯化鉭醇溶液的制備方法如下：

將0.0029g五氯化鉭溶于5mL無水乙醇中，即得五氯化鉭醇溶液。其他與具體實(shí)施方式二至五之一相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至六之一不同的是步驟三中向TiCl₄溶液中滴加濃度為0.0016mol/L的五氯化鉭醇溶液。其他與具體實(shí)施方式二至六之一相同。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至七之一不同的是步驟三中五氯化鉭與TiO₂質(zhì)量比為0.05％。其他與具體實(shí)施方式二至七之一相同。

具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至八之一不同的是步驟四中在160℃水熱反應(yīng)3h后，冷卻至室溫。其他與具體實(shí)施方式二至八之一相同。

具體實(shí)施方式十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至九之一不同的是步驟四中將濾餅轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿中放入真空干燥箱于110℃干燥24h。其他與具體實(shí)施方式二至九之一相同。

具體實(shí)施方式十一：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至十之一不同的是步驟二中將0.1134g氟化銨溶于5mL蒸餾水中，得到氟化銨溶液。其他與具體實(shí)施方式二至十之一相同。

具體實(shí)施方式十二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至十一之一不同的是步驟三中加入0.3mL濃度為2.92mol/L磷酸溶液。其他與具體實(shí)施方式二至十一之一相同。

具體實(shí)施方式十三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至十二之一不同的是步驟三中再加入15.5mL蒸餾水，連續(xù)攪拌2h，得到無色透明溶膠。其他與具體實(shí)施方式二至十二之一相同。

采用下述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明效果：

實(shí)驗(yàn)一：

Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑的制備方法如下：

一、在冰水冷卻攪拌下，將4mL四氯化鈦滴加到10mL蒸餾水中，得到淡黃色TiCl₄溶液；

二、將0.1134氟化銨溶于5mL蒸餾水中，得到氟化銨溶液；

三、在室溫磁力攪拌下，向TiCl₄溶液中滴加濃度為0.0029mol/L的五氯化鉭醇溶液，加入0.3mL濃度為2.92mol/L磷酸溶液和步驟二得到的氟化銨溶液，再加入15.5mL蒸餾水，連續(xù)攪拌2h，得到無色透明溶膠，

其中五氯化鉭與TiO₂質(zhì)量比為0.05％；

四、將無色透明溶膠轉(zhuǎn)移至內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼反應(yīng)釜中，將釜蓋旋緊密封后置于烘箱中，在160℃水熱反應(yīng)3h后，冷卻至室溫，用蒸餾水進(jìn)行抽濾洗滌，然后將濾餅轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿中放入真空干燥箱于110℃干燥24h，即得Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑。

所得Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑呈白色，為均一的銳鈦礦相，平均粒徑為13.4nm，BET比表面積為126.5m²·g^-1。

以4-氯酚(4-CP)水溶液在模擬太陽(yáng)光(500W氙燈)照射下的光催化降解來評(píng)價(jià)樣品光活性。在模擬太陽(yáng)光照射下，40mg的Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑對(duì)100mL初始濃度為20mg·L^-1的4-CP水溶液的光催化降解一級(jí)反應(yīng)表觀速率常數(shù)為K_app＝6.39×10^–2min^–1，約為商品P25TiO₂(K_app＝7.11×10^–3min^–1)的9倍。本發(fā)明強(qiáng)烈抑制了納米TiO₂銳鈦礦向金紅石相轉(zhuǎn)變，強(qiáng)烈抑制了光生e^-/h⁺復(fù)合，顯著提高了納米TiO₂光催化降解環(huán)境污染物效能，可以利用Ta-F-P-TiO₂納米光催化劑在太陽(yáng)光照射下實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染的高效治理，其實(shí)用性能大幅度提升。