專利名稱：高效可見光光催化劑及光電轉(zhuǎn)換和發(fā)光材料TiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化工原料光電材料的制備方法，特別是一種同時(shí)即摻氮又摻碳的高效可見光光催化劑及光電轉(zhuǎn)換和發(fā)光材料TiOxNyCz的制備方法。
背景技術(shù)：
二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N寬禁帶半導(dǎo)體，由于性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒以及高效的光催化活性，尤為引人矚目。但是TiO2(銳鈦礦)的禁帶寬度為3.2eV，在紫外光的激發(fā)下才能顯示催化活性，然而太陽(yáng)光中紫外光能量?jī)H占4％，而可見光能量占43％。如何改性TiO2使其在可見光甚至是室內(nèi)光源的激發(fā)下產(chǎn)生活性一直是研究的熱點(diǎn)。因此，為了有效地利用太陽(yáng)光，研究在可見光下具有高光催化活性的催化材料很有實(shí)際意義，尋求廉價(jià)、環(huán)境友好并具有高性能的可見光光催化材料將是光催化發(fā)展進(jìn)一步走向?qū)嵱没谋厝悔厔?shì)。人們普遍把以TiO2和ZnO為代表的需要紫外光激發(fā)才具有光催化活性的材料稱為“第一代光催化劑”，對(duì)于新型的可見光激發(fā)下具有高催化活性的材料稱為“第二代光催化劑”。目前，第二代TiO2光催化劑的研究國(guó)內(nèi)剛有苗頭，但國(guó)外近年發(fā)展非常迅速，已成為光催化研究的熱點(diǎn)。尤其是非金屬摻雜給可見光光催化劑的開發(fā)帶來(lái)了曙光，對(duì)TiO2的氮、碳、硫、鹵素?fù)诫s的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀已有文獻(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)述[彭峰，黃壘，陳水輝.非金屬摻雜的第二代二氧化鈦光催化劑研究進(jìn)展.現(xiàn)代化工.2006年，第26卷，第2期，第18～22頁(yè)]。而目前的非金屬摻雜可見光光催化劑多為單一摻雜催化劑，氮碳共摻的二氧化鈦光催化材料的研究報(bào)道較少[程萍，顧明元，金燕蘋. TiO2光催化劑可見光化研究進(jìn)展.化學(xué)進(jìn)展.2005年，第17卷，第1期，第8～14頁(yè)；劉中清，葛昌純.非金屬改性可見光誘導(dǎo)的TiO2光催化.化學(xué)進(jìn)展.2006年，第18卷，第2/3期，第168～175頁(yè)]，其制備方法也較為復(fù)雜。
以鈦酸四丁酯為原料，將尿素在磁力攪拌下溶解在乙醇中，滴加鈦酸四丁酯，滴加完畢繼續(xù)攪拌2h，然后放入80℃烘箱蒸干，將所得白色前驅(qū)物研磨，分別在空氣中450、500、550、600℃退火6h制得樣品。只得到了摻氮催化劑，所用原料鈦酸丁酯價(jià)格昂貴，退火溫度較高。
CN1565721公開了“一種氮摻雜型二氧化鈦可見光催化劑的制備方法”得到了單一的摻氮二氧化鈦光催化劑，制備過程較為復(fù)雜。CN1557539公開了“可見光激發(fā)的氧化鈦光催化劑及其合成方法”，該方法以硫脲，硝酸鑭或氯化鑭，聚乙二醇或聚乙烯醇為原料和TiCl4的水溶液混合水熱合成可見光催化劑，該可見光催化劑以二氧化鈦為基體，含硫量為1.0～3.0at％，含鑭量為1.0～2.5at％。CN1562461公開了“硫和氮陰離子雙摻雜的納米氧化鈦催化劑及合成方法”利用水熱及氨氣氮化合成了硫氮雙摻雜的納米氧化鈦可見光催化劑。CN1775359公開了“一種摻雜碳、氮的二氧化鈦光催化劑的制備方法”，該發(fā)明涉及一種摻雜碳、氮的二氧化鈦可見光催化劑的制備方法，其主要步驟為首先在由鈦酸正丁酯、無(wú)機(jī)酸、TritonX-100、正己醇和環(huán)己烷組成的微乳液中加入氮源，使氮與鈦的摩爾比值為0.5～4，然后將所得的含氮微乳液置于反應(yīng)器中，于120℃進(jìn)行水熱反應(yīng)13小時(shí)，最后將水熱反應(yīng)的產(chǎn)物經(jīng)洗滌、分離及干燥后得目標(biāo)物。上述這些多元素?fù)诫s要么過程復(fù)雜，不易控制，要么原料成本高，不適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題而提供一種生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的即摻氮又摻碳的高效可見光光催化劑及光電轉(zhuǎn)換和發(fā)光材料TiOxNyCz的制備方法。利用該方法制得的摻雜二氧化鈦，不僅具有良好的可見光催化性能，而且具有很強(qiáng)的光致發(fā)光性能。本方法合成的可見光催化劑可用于除去環(huán)境中的污染物，且在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化、光催化及光電轉(zhuǎn)化設(shè)備中有極大的應(yīng)用潛力。
本發(fā)明的目的是通過以下方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的可見光光催化劑、光電轉(zhuǎn)換和發(fā)光材料TiOxNyCz的制備方法是以四氯化鈦為原料，按重量比四氯化鈦∶水∶甲醇∶尿素＝1∶0～10∶1～50∶2～50的比例，依次將水和甲醇加入四氯化鈦中，加熱到50～70℃(近沸)，攪拌下加入尿素，冷卻，固化，分別在200～1000℃下灼燒，即得本發(fā)明在各灼燒溫度段下組成成分不同的目標(biāo)產(chǎn)物。
在本發(fā)明中，在馬福爐中分別在200、400、600、800度下煅燒，可分別得到白色，淡黃色，土黃色，土灰色TiOxNyCz粉末。
在本發(fā)明中，當(dāng)水的比例大于0時(shí)，應(yīng)先加水，后加甲醇。當(dāng)不加水時(shí)(即水的比例為0)，即直接將甲醇加入四氯化鈦中。
在400度以下灼燒，可得到一種水不溶性含氮30～50％及含碳30～50％高活性可見光光催化劑及高強(qiáng)度發(fā)光材料Ti∶O∶C∶N＝1～5∶10～30∶30～50∶30～50，這是一種文獻(xiàn)中尚未見到的新材料，它大幅度提高了太陽(yáng)光的利用效率，有望用于太陽(yáng)能電池材料、光電轉(zhuǎn)換、光催化降解污染物、光致發(fā)光材料等。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于1.本發(fā)明采用無(wú)機(jī)四氯化鈦為原料，通過甲醇和尿素提供碳源和氮源，原料易得。
2.本發(fā)明采用直接灼燒法，工藝簡(jiǎn)單，工序短。
3.本發(fā)明得到一種同時(shí)即摻氮又摻碳的可見光光催化劑、光電轉(zhuǎn)換和發(fā)光材料TiOxNyCz。
4.適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
5.所得灼燒溫度400度以下樣品，在可見光或太陽(yáng)光或目光燈下均有良好的光催化性能，對(duì)甲基橙的降解均可達(dá)到99.8％以上，且在330～500nm之間具有很強(qiáng)的連續(xù)發(fā)光。進(jìn)口P25二氧化鈦光催化劑沒有此方面的性能，說明本產(chǎn)品對(duì)太陽(yáng)光的利用率大幅度提高。
6、利用本發(fā)明方法制得的摻雜二氧化鈦，不僅具有良好的可見光催化性能，而且具有很強(qiáng)的光致發(fā)光性能。本方法合成的可見光催化劑可用于除去環(huán)境中的污染物，且在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化、光催化及光電轉(zhuǎn)化設(shè)備中有極大的應(yīng)用潛力。


圖1為實(shí)施例一幾種灼燒溫度下的X射線衍射圖。
圖2為實(shí)施例一幾種灼燒溫度下的X射線光電子能譜圖。
圖3為實(shí)施例一幾種灼燒溫度下樣品的光致發(fā)光譜圖。
圖4為實(shí)施例二幾種灼燒溫度下樣品的光致發(fā)光譜圖。
圖5為幾種灼燒溫度下樣品的紫外可見吸收光譜圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明以下結(jié)合具體實(shí)施例做進(jìn)一步描述，其目的是更好的理解本發(fā)明，而并不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例一將10mL四氯化鈦用60mL甲醇醇解，加熱到沸騰約63℃，加入尿素100克，溶解后，冷卻，固化，在馬福爐中分別在200、400、600、800度下煅燒，分別得到組成成分不同的TiOxNyCz粉末。
附表為實(shí)施例一幾種灼燒溫度下樣品的元素含量 實(shí)施例二將5mL四氯化鈦先用10mL水水解，再加入100mL甲醇，加熱到約55℃，加入尿素200克，溶解后，冷卻，固化，在馬福爐中分別在200、400、600、800度下煅燒，得到TiOxNyCz樣品。
實(shí)施例三將10mL四氯化鈦用100mL甲醇醇解，加熱到沸騰，加入尿素200克，溶解后，冷卻，固化，在馬福爐中300度下煅燒，得到淡黃色TiOxNyCz粉末。
實(shí)施例四將10mL四氯化鈦用100mL甲醇醇解，加熱到沸騰，加入尿素300克，溶解后，冷卻，結(jié)晶，在馬福爐中200度下煅燒，得到白色TiOxNyCz粉末。
實(shí)施例五將50mL四氯化鈦用200mL甲醇醇解，加熱到沸騰，加入尿素300克，溶解后，冷卻，固化，在馬福爐中800度下煅燒，得到土灰色TiOxNyCz粉末。
實(shí)施例六將10mL四氯化鈦用10mL水水解，加入50mL甲醇，加熱到沸騰，加入尿素50克，溶解后，冷卻，固化，在馬福爐中400度下煅燒，得到黃色TiOxNyCz粉末。
權(quán)利要求
1.一種高效可見光光催化劑及光電轉(zhuǎn)換和發(fā)光材料TiOxNyCz的制備方法，其特征在于以四氯化鈦為原料，按重量比四氯化鈦∶水∶甲醇∶尿素＝1∶0～10∶1～50∶2～50的比例，依次將水和甲醇加入四氯化鈦中，加熱至50～70℃，攪拌下加入尿素，冷卻固化，分別在200～1000℃下灼燒，即得本發(fā)明在各灼燒溫度段下組成成分不同的目標(biāo)產(chǎn)物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效可見光光催化劑及光電轉(zhuǎn)換和發(fā)光材料TiOxNyCz的制備方法，其特征在于當(dāng)水的比例為0時(shí)，直接將甲醇加入四氯化鈦中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效可見光光催化劑及光電轉(zhuǎn)換和發(fā)光材料TiOxNyCz的制備方法，其特征在于在馬福爐中分別在200、400、600、800度下煅燒，分別得到白色，淡黃色，土黃色，土灰色TiOxNyCz粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的高效可見光光催化劑及光電轉(zhuǎn)換和發(fā)光材料TiOxNyCz的制備方法，其特征在于在400度以下灼燒，得到一種水不溶性含氮30～50％及含碳30～50％高活性可見光光催化劑及高強(qiáng)度發(fā)光材料，其組成成分為Ti∶O∶C∶N＝1～5∶10～30∶30～50∶30～50。
全文摘要
一種高效可見光光催化劑及光電轉(zhuǎn)換和發(fā)光材料TiO
文檔編號(hào)B01J27/24GK1931426SQ200610107259
公開日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2006年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月12日
發(fā)明者李道榮, 胡長(zhǎng)文, 吳佐林 申請(qǐng)人:河南工業(yè)大學(xué)