專利名稱：一種多孔二氧化鈦光催化薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光催化劑的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多孔二氧化鈦光催化薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
世界工業(yè)的高速發(fā)展給人們提供豐富物質(zhì)生活的同時，也帶來了不少的環(huán)境問題。工業(yè)生產(chǎn)中三廢(廢水、廢渣、廢氣)的排放破壞生態(tài)平衡，污染環(huán)境，嚴(yán)重威脅著人們的健康生活。其中，染料廢水是目前難降解的工業(yè)廢水之一，印染廢水排放量約占工業(yè)廢水總排放量的十分之一，對環(huán)境污染較為嚴(yán)重，其色澤深，毒性大，有致癌性，嚴(yán)重危害了生態(tài)環(huán)境。半導(dǎo)體光催化技術(shù)由于強大的氧化能力可以降解多種有毒有害污染物，同時，其環(huán)境友好，可利用太陽能，反應(yīng)條件溫和，成本低等特點使其具有極其廣闊的應(yīng)用前景，日益受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中，TiO2材料因光催化活性高，性質(zhì)穩(wěn)定，無毒且材料廉價，成為當(dāng)前最具有應(yīng)用潛力的光催化劑。與粉體催化劑相比，TiO2光催化薄膜在實際應(yīng)用時可避免因催化劑與反應(yīng)物的分離而造成的流失以及能源浪費，因而具有更好的應(yīng)用價值。但是現(xiàn)有氧化鈦薄膜制備技術(shù)仍存在制備工藝較復(fù)雜，規(guī)模難放大，結(jié)晶度較低，膜與基底結(jié)合牢固度較差等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷和市場需求，提供一種多孔二氧化鈦光催化薄膜及其簡單易行、成本低廉的制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明多孔二氧化鈦光催化薄膜的制備方法，包括如下步驟打磨光潔的鈦片浸泡在雙氧水和離子液體I- 丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸鹽組成的混合溶液中，混合溶液中雙氧水的濃度為10 15wt %，離子液體I- 丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸鹽的濃度為O. I O. 5wt%，在80°C 100°C恒溫保持8 10h，洗凈，烘干后在 450°C 500°C下焙燒 I I. lh?；旌先芤褐须p氧水的濃度優(yōu)選為15wt %，離子液體I- 丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸鹽的濃度優(yōu)選為O. 2wt%。通過上述技術(shù)方案可以得到本發(fā)明的多孔二氧化鈦光催化薄膜，薄膜與鈦片基底結(jié)合在一起，為多孔的花狀微球結(jié)構(gòu)，其晶型為銳鈦礦型。本發(fā)明的原理在于利用離子液體的模板作用并有效控制反應(yīng)速率，通過基底參與氧化反應(yīng)直接在鈦片表面得到純銳鈦礦型二氧化鈦薄膜，其微觀結(jié)構(gòu)為多孔花球狀二氧化鈦與基底結(jié)合而成。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及突出效果本發(fā)明所使用的化學(xué)試劑均為常用試劑、廉價易得；制備工藝簡單、操作方便，結(jié)構(gòu)易控；所制得的二氧化鈦薄膜與基底結(jié)合牢固，催化效率高，具有穩(wěn)定的光催化活性，使用壽命長。


圖I為實施例
圖2為實施例
圖3為實施例
圖4為實施例
圖5為實施例
I所制得的樣品的XRD圖譜。
I所制得的樣品的掃描電鏡照片。
I與實施例8所制得的樣品比較的UV-vis DRS圖譜t 1-9所制得的氧化鈦膜的光催化活性比較。
I制得的樣品的壽命測試結(jié)果。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。以下實施例所得樣品通過以下手段進行結(jié)構(gòu)表征采用Rigaku D/Max-RB型X射線衍射儀測量的X射線衍射圖譜進行樣品的結(jié)構(gòu)分析；采用JE0LJSM-6380LV型掃描電鏡獲得的掃描電鏡照片分析樣品的形貌結(jié)構(gòu)；采用MC-2530型紫外-可見漫反射光譜(UV-vis DRS)分析光吸收性能。實施例I用砂紙將尺寸為42cm2的鈦片表面打磨光滑，去除表面氧化層；使用I : I體積比的乙醇及異丙醇溶液超聲洗滌，然后用去離子水超聲洗滌，最后用N2吹掃至干燥。處理后的鈦片浸泡于50mL 15被％的!1202與O. IOmL離子液體I-丁基_3_甲基咪唑四氟硼酸鹽的混合溶液中(混合溶液中雙氧水的濃度為15. 0wt%，離子液體I-丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸鹽的濃度為O. 2wt% ),置于烘箱中在80°C下反應(yīng)8h。反應(yīng)后的鈦片經(jīng)去離子水沖洗3次后于100°C下烘干，之后在450°C下焙燒lh，得目標(biāo)產(chǎn)物。圖I為本實施例所制備樣品的X-射線衍射圖譜，從圖譜可確定所得樣品表面的薄膜為銳鈦礦型TiO2。圖2為本實施例所制備樣品的SEM照片，從照片可見所得樣品表面的薄膜為具有花狀微球的多孔結(jié)構(gòu)，微球直徑約為300nm。實施例2將離子液體用量改為O. 05mL,其余內(nèi)容與實施例I所述相同(混合溶液中雙氧水的濃度為15. 0wt%，離子液體I-丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸鹽的濃度為O. Iwt% )。由本實施例所制備樣品的X-射線衍射圖譜可確定所得樣品表面的薄膜為銳鈦礦型TiO2,由 SEM照片可知其為多孔的無規(guī)則的片狀結(jié)構(gòu)。實施例3將離子液體用量改為O. 15mL,其余內(nèi)容與實施例I所述相同(混合溶液中雙氧水的濃度為15. 0wt%，離子液體I-丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸鹽的濃度為O. 4wt% )。由本實施例所制備樣品的X-射線衍射圖譜可確定所得樣品表面的薄膜為銳鈦礦型TiO2,由 SEM照片可知其為具有花狀微球的多孔結(jié)構(gòu)，微球直徑約為I μ m。實施例4將離子液體用量改為O. 20mL,其余內(nèi)容與實施例I所述相同(混合溶液中雙氧水的濃度為15. Owt %,離子液體I- 丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸鹽的濃度為O. 5wt% )。由本實施例所制備樣品的X-射線衍射圖譜可確定所得樣品表面的薄膜為銳鈦礦型TiO2,由SEM照片可知其為具有花狀微球的多孔結(jié)構(gòu)，微球直徑約為2 μ m。實施例5將反應(yīng)時間改為4h，其余內(nèi)容與實施例I所述相同。由本實施例所制備樣品的 X-射線衍射圖譜可確定所得樣品表面的薄膜為銳鈦礦型TiO2,由SEM照片可知其為多孔結(jié)構(gòu)，無花狀微球。實施例6將反應(yīng)時間改為6h，其余內(nèi)容與實施例I所述相同。由本實施例所制備樣品的 X-射線衍射圖譜可確定所得樣品表面的薄膜為銳鈦礦型TiO2,由SEM照片可知其為多孔結(jié)構(gòu)，無花狀微球。實施例7將反應(yīng)時間改為10h，其余內(nèi)容與實施例I所述相同。由本實施例所制備樣品的 X-射線衍射圖譜可確定所得樣品表面的薄膜為銳鈦礦型TiO2,由SEM照片可知其為具有花狀微球的多孔結(jié)構(gòu)。實施例8不添加離子液體，其余內(nèi)容與實施例I所述相同。由本實施例所制備樣品的X-射線衍射圖譜可確定所得樣品表面的薄膜為銳鈦礦型TiO2,由SEM照片可知其為多孔的無規(guī)則的片狀結(jié)構(gòu)。圖3為實施例I與實施例8所制得的樣品比較的UV-vis DRS圖譜，由圖可知實施例I的具有花球結(jié)構(gòu)的二氧化鈦薄膜較本實施例不添加離子液體所制備得到的樣品在紫外區(qū)的光吸收強度有明顯提高。上述各實施例所得樣品的光催化性能取上述實施例1-8中所得到的氧化鈦薄膜置于55mL的10mg/L的羅丹明B溶液中， 使得Ti片43%的表面積浸于液面下，剩余表面暴露于空氣中，然后置于轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器中。以特征波長為365nm的8W紫外燈為光源照射于Ti片表面，與Ti片的距離為
4.Ocm;鈦片轉(zhuǎn)速為90rpm，反應(yīng)溫度為30°C，黑暗中吸附半小時達到吸附平衡后進行光催化活性測量，反應(yīng)時間為3h。反應(yīng)后用UV分光光度計在553nm測定羅丹明B的濃度變化并由此計算降解率。由于在無光照或無催化劑條件下反應(yīng)3小時后僅有少于5%的羅丹明B分解，因此可以忽略由此造成的誤差。圖4為實施例1-8所制得的二氧化鈦薄膜的光催化活性能比較。由圖4可知，本發(fā)明各實施例所得到的樣品均有良好的光催化活性，添加離子液體后制備的薄膜樣品活性均以實施例I為最佳，且均高于未添加離子液體的實施例8。采用實施例I所得樣品進行壽命實驗按上述步驟測試實施例I所得樣品的光催化性能，不同之處在于反應(yīng)時間為4h， 記錄每個小時的羅丹明B的濃度變化情況。反應(yīng)完成后將Ti片取出并用去離子水清洗3 次后于100°C烘干12h，重復(fù)上述反應(yīng)，共計10次。壽命測試結(jié)果如圖5所示，可以看出本發(fā)明所得的產(chǎn)品具有穩(wěn)定的光催化活性。上述實施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。在閱讀了本發(fā)明記載的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種多孔二氧化鈦光催化薄膜，其特征在于，薄膜與鈦片基底結(jié)合在一起，表面為多孔花狀微球結(jié)構(gòu)，其晶型為銳鈦礦型。
2.權(quán)利要求I所述的多孔二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，打磨光潔的鈦片浸泡在雙氧水和離子液體I-丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸鹽組成的混合溶液中，混合溶液中雙氧水的濃度為10 15wt%，離子液體I-丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸鹽的濃度為O.I O. 5wt%，在80°C 100°C恒溫保持8 10h，洗凈，烘干后在450°C 500°C下焙燒 I L Ih0
3.權(quán)利要求2所述的多孔二氧化鈦薄膜的制備方法，其特征在于，混合溶液中雙氧水的濃度為15wt%，離子液體I-丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸鹽的濃度為O. 2wt%。
4.權(quán)利要求I所述的多孔二氧化鈦光催化薄膜應(yīng)用于有機污染物的降解。
5.權(quán)利要求4所述的多孔二氧化鈦光催化薄膜應(yīng)用于羅丹明B的降解。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多孔二氧化鈦光催化薄膜及其制備方法，通過基底參與氧化反應(yīng)同時利用離子液體作為模板劑并控制反應(yīng)速率，可直接在鈦片表面得到純銳鈦礦相氧化鈦薄膜，制備步驟如下配置雙氧水溶液與離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽的混合溶液；金屬鈦片浸沒于反應(yīng)液里，置于80℃烘箱中反應(yīng)數(shù)小時；將反應(yīng)后的鈦片取出后焙燒即可得到二氧化鈦薄膜。本發(fā)明原料易得，工藝簡單，條件易控，制備周期短，易規(guī)模放大。制備的純銳鈦礦結(jié)構(gòu)二氧化鈦膜結(jié)晶度高，純度高，與基底結(jié)合牢固，穩(wěn)定性好，可重復(fù)使用。
文檔編號A62D3/17GK102600819SQ20121005038
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者張亞, 張佳, 李和興, 李虎, 陳曉芳, 霍宇凝 申請人:上海師范大學(xué)