專利名稱:摻氮二氧化鈦光催化劑的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種光催化劑的制備方法,特別是一種摻氮二氧化鈦光催化劑的制備方法。用于半導(dǎo)體光催化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
光催化是一種新興的環(huán)境凈化和能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。光催化劑可有效地氧化或還原吸附在其表面上的有害氣體分子,殺滅細菌,抑制病毒,能將有害有機物、細菌等轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳等無害物質(zhì),且沒有任何二次污染;同時,利用光催化技術(shù)可以進行光解水制氫,將太陽能直接轉(zhuǎn)換為氫能。
作為實用光催化劑的典型代表是二氧化鈦。二氧化鈦具有可以吸收400nm或以下波長的紫外線,并形成自由電子和電子空穴。因此,一旦產(chǎn)生的自由電子和空穴到達粒子的表面,與氧或水等化合產(chǎn)生·OH等各種游離基,氧化分解表面上被吸附的物質(zhì)。這是光催化用于環(huán)境凈化的基本原理。光催化劑也可用于光解水制氫,這是因為光激發(fā)所形成的自由電子和空穴具有極強的還原和氧化能力,可將水直接分解成氫氣和氧氣。因此,隨著光催化技術(shù)的發(fā)展,有望利用太陽光,直接從各種水中獲得最為清潔的能源——氫能,解決今后的全球能源和環(huán)境問題。
光催化技術(shù)的廣泛和有效利用,取決于光催化反應(yīng)的效率。改善光催化劑性能是提高光催化效率的關(guān)鍵。可以通過以下幾個途徑提高光催化劑的活性。(1)光催化材料納米化和提高比表面積;(2)提高結(jié)晶度,降低晶格缺陷;(3)調(diào)變禁帶結(jié)構(gòu),提高對可見光的吸收和利用。在以上方法中,途徑(3)顯得技術(shù)空間最大和應(yīng)用前景最為廣泛,因此近幾年來倍受人們重視和研究。
經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn),中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?3140525.8,名稱為含氮的二氧化鈦光催化薄膜及其制備方法,該專利公開了一種在O2/N2反應(yīng)氣體中,采用磁控濺射方法制備含氮的二氧化鈦光催化薄膜。磁控濺射方法裝置規(guī)模大、價格高,同時不適合納米粉體材料的制備及摻雜改性。利用NH3同TiO2反應(yīng)也可合成摻氮的二氧化鈦光催化劑,但NH3危險性和污染性大。因此,以上方法不便實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服以上技術(shù)問題的不足,提出了一種摻氮二氧化鈦光催化劑的制備方法。該方法是采用固相反應(yīng)法將氮元素取代二氧化鈦中部分氧元素,從而降低了半導(dǎo)體光催化劑的禁帶寬度,使得光催化劑具有對可見光的吸收能力,提高了降解污染物和光解水制氫的效率。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的,本發(fā)明采用固相反應(yīng)法將氮元素取代二氧化鈦中部分氧元素,用尿素作為氮源,尿素和二氧化鈦粉體或其前驅(qū)體發(fā)生反應(yīng),生成氮摻雜的二氧化鈦光催化劑。固相反應(yīng)可以在空氣中或在適當?shù)牡獨獗Wo下進行。經(jīng)固相反應(yīng)后氮元素在二氧化鈦粉體光催化劑中的摩爾百分比可達到0.05%-5.0%。
固相反應(yīng)的參數(shù)燒成溫度為300℃-650℃ ,固相反應(yīng)時間為0.5-10小時。當燒成溫度低于300℃時,固相反應(yīng)難以進行;當燒成溫度高于650℃時,TiO2將轉(zhuǎn)換為金紅石晶型,光催化活性下降。
本發(fā)明采用的尿素和二氧化鈦粉體或其前驅(qū)體的摩爾比例應(yīng)在0.1∶1.0以上,以0.3∶1.0-3.0∶1.0為佳。所得的粉末隨尿素含量的不同顏色呈現(xiàn)從淡黃色至桔黃色。
本發(fā)明所用的二氧化鈦粉體,可以是市售產(chǎn)品,也可以是自制粉體。二氧化鈦粉體及其前驅(qū)體可以四氯化鈦、鈦酸四丁酯、鈦酸異丙酯等為原料,采用氣相法、水解法、水熱法、溶膠-凝膠法等制備而得。二氧化鈦粉體為無定形、銳鈦礦或銳鈦礦與金紅石的混晶,并且其比表面積大于50m2/g,這樣才能有效形成一種具有銳鈦礦或以銳鈦礦為主要晶相的摻氮的二氧化鈦(TiO2-xNx),并具有較高的光催化活性。
太陽所釋放的能量一年中達地球表面的總量是5.5×1026J,為現(xiàn)在全人類一年所消費能源總和的一萬倍。太陽能的低密度極其不穩(wěn)定性限制了它的應(yīng)用,特別是將其轉(zhuǎn)換為電能的直接利用。水和陽光可稱是取之不盡的物質(zhì)。從水中獲得的氫,作為能源使用后又回到了水的形態(tài),是一種完全的可持續(xù)開發(fā)和利用。利用光催化技術(shù)能將太陽能直接轉(zhuǎn)換為化學(xué)能-氫能。光解水能否實用化最終將取決于能量轉(zhuǎn)化效率。迄今為止人們所發(fā)現(xiàn)和研制的能用于光解水的光催化劑中大多數(shù)僅能吸收其波長小于400nm的紫外線。而紫外線在太陽光中只占3%左右。所以,本發(fā)明所提供的光催化劑能吸收可見光,能極大地利用太陽光,實現(xiàn)高效光解水制氫,對解決未來的能源和環(huán)境問題具有積極的意義。
另外,在環(huán)境凈化方面,本發(fā)明所提供的能吸收可見光的光催化劑可廣泛用于各種建筑物的室內(nèi)外墻體等表面,能利用自然光有效地凈化大氣中的污染物,提高環(huán)境質(zhì)量,將帶來極大的社會效益和經(jīng)濟效益。
具體實施例結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供以下實施例實施例1分別稱取二氧化鈦粉體(ST-01光催化用二氧化鈦粉體)和尿素(H2NCONH2)各1.5克和4.5克,用瑪瑙碾缽碾磨混合10分鐘后,裝入陶瓷坩堝,在350℃下煅燒120分鐘后,緩慢冷卻至室溫即得所需物質(zhì)。所得的粉末為淡黃色,表明二氧化鈦因氮的摻入導(dǎo)致了對可見光的吸收。經(jīng)紫外-可見分光光度計的漫反射光譜測定,其吸收邊由原來的390nm擴展到470nm。
實施例2量取四氯化鈦溶液(分析純)100ml,在磁力攪拌作用下緩慢滴入500ml蒸餾水中。繼續(xù)攪拌1小時后,緩慢加入氨水50ml,形成白色絮凝狀的鈦的水合物。接著用離心分離器分離后所得的白色絮凝物經(jīng)80℃干燥2小時,得二氧化鈦的前驅(qū)體Ti(OH)4。
分別稱取以上所得的產(chǎn)物和尿素各3.0克和0.16克(摩爾比1.0∶0.1),用瑪瑙碾缽碾磨混合10分鐘后,分別裝入陶瓷坩堝,用電爐在300℃下煅燒180分鐘后,緩慢冷卻至室溫。經(jīng)紫外-可見分光光度計的漫反射光譜測定,在390nm~500nm的可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生一定的光吸收。
實施例3量取四氯化鈦溶液(分析純)100ml,在磁力攪拌作用下緩慢滴入500ml蒸餾水中。繼續(xù)攪拌1小時后,緩慢加入氨水50ml,形成白色絮凝狀的鈦的水合物。接著用離心分離器分離后所得的白色絮凝物經(jīng)80℃干燥2小時,得二氧化鈦的前驅(qū)體Ti(OH)4。
分別稱取以上所得的產(chǎn)物和尿素各3.0克和4.8克(摩爾比1.0∶3.0),用瑪瑙碾缽碾磨混合10分鐘后,分別裝入陶瓷坩堝,用電爐在650℃下煅燒60分鐘后,緩慢冷卻至室溫。經(jīng)紫外-可見分光光度計的漫反射光譜測定,其吸收邊由擴展到600nm左右。
實施例4量取四氯化鈦溶液(分析純)100ml,在磁力攪拌作用下緩慢滴入500ml蒸餾水中。繼續(xù)攪拌1小時后,緩慢加入氨水50ml,形成白色絮凝狀的鈦的水合物。接著用離心分離器分離后所得的白色絮凝物經(jīng)80℃干燥2小時,得二氧化鈦的前驅(qū)體Ti(OH)4。
分別稱取以上所得的產(chǎn)物和尿素各3.0克和4.8克(摩爾比1.0∶1.0),用瑪瑙碾缽碾磨混合10分鐘后,分別裝入陶瓷坩堝,用電爐在450℃下煅燒120分鐘后,緩慢冷卻至室溫。經(jīng)紫外-可見分光光度計的漫反射光譜測定,其吸收邊由擴展到530nm左右。
權(quán)利要求
1.一種摻氮二氧化鈦光催化劑的制備方法,其特征在于,采用固相反應(yīng)法將氮元素取代二氧化鈦中部分氧元素,用尿素作為氮源,尿素和二氧化鈦粉體或其前驅(qū)體發(fā)生反應(yīng),生成氮摻雜的二氧化鈦光催化劑,氮元素在二氧化鈦粉體光催化劑中的摩爾百分比達到0.05%-5.0%。
2.如權(quán)利要求1所述的摻氮二氧化鈦光催化劑的制備方法,其特征是,所述的固相反應(yīng),其參數(shù)燒成溫度為300°-650℃,固相反應(yīng)時間為0.5-10小時。
3.如權(quán)利要求1所述的摻氮二氧化鈦光催化劑的制備方法,其特征是,所述的固相反應(yīng),其中的尿素和二氧化鈦粉體或其前驅(qū)體的摩爾比例為0.1∶1.0以上。
4.如權(quán)利要求3所述的摻氮二氧化鈦光催化劑的制備方法,其特征是,所述的固相反應(yīng),其中的尿素和二氧化鈦粉體或其前驅(qū)體的摩爾比例進一步限定為0.3∶1.0-3.0∶1.0。
5.如權(quán)利要求1或3所述的摻氮二氧化鈦光催化劑的制備方法,其特征是,二氧化鈦粉體或為無定型、或為銳鈦礦、或為銳鈦礦與金紅石的混晶,其比表面積大于50m2/g。
6.如權(quán)利要求1所述的摻氮二氧化鈦光催化劑的制備方法,其特征是,固相反應(yīng)在空氣中或在氮氣保護下進行。
全文摘要
一種摻氮二氧化鈦光催化劑的制備方法,用于半導(dǎo)體光催化技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用固相反應(yīng)法將氮元素取代二氧化鈦中部分氧元素,用尿素作為氮源,尿素和二氧化鈦粉體或其前驅(qū)體發(fā)生反應(yīng),生成氮摻雜的二氧化鈦光催化劑。本發(fā)明用尿素作為氮源,工藝簡單,操作安全。通過氮摻雜降低了二氧化鈦光催化劑的禁帶寬度,具有對可見光的吸收能力,光催化活性得到了提高,能有效地降解污染物和光解水制氫。
文檔編號B01J21/06GK1583250SQ20041002488
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月3日
發(fā)明者上官文峰, 袁堅, 陳銘夏, 施建偉, 劉震炎, 羅璇 申請人:上海交通大學(xué)