一種鈦酸鉛/二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈦酸鉛/ 二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法，屬于無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體光催化主要原理是當(dāng)光的能量等于或者大于半導(dǎo)體帶隙能量時(shí)，半導(dǎo)體在光的照射下，電子從價(jià)帶躍迀到導(dǎo)帶產(chǎn)生光生載流子(電子-空穴對)。然而，光生載流子在迀移到表面的過程中容易復(fù)合從而降低光催化效率。因此，提高光催化劑中電子-空穴對的分離對于光催化效率至關(guān)重要。二氧化鈦是研究和應(yīng)用最廣泛的一種半導(dǎo)體光催化劑，傳統(tǒng)的制備方法中，銳鈦礦二氧化鈦的生長是以暴露(101)面的八面體為主，然后銳鈦礦二氧化鈦的(001)面是其高活性面，具有更高的光催化活性，因此制備具有(001)面暴露的銳鈦礦二氧化鈦也有助于提高光催化效率。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈦酸鉛(PbT13)是一種典型的鐵電氧化物，其結(jié)構(gòu)簡單，并具有優(yōu)異的鐵電、壓電、介電性能，如果把T1jP鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片復(fù)合成一種異質(zhì)結(jié)時(shí)，同時(shí)控制T12 (001)面的生長，就可以利用鈦酸鉛納米片鐵電極化來高效地實(shí)現(xiàn)T12光生載流子的分離，在高活性的(001)面上實(shí)現(xiàn)高效紫外光催化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單，過程易于控制，光催化效率較高的鈦酸鉛/二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法。
[0004]本發(fā)明的鈦酸鉛/ 二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法，包括以下步驟:
1)稱取鈦酸四正丁酯和氫氟酸放入反應(yīng)釜內(nèi)膽中，鈦酸四正丁酯和氫氟酸的體積比為
0.25-8:1，攪拌 10-30min;
2)用無水乙醇將步驟I)制得的混合溶液稀釋，攪拌混合均勻；
3)向步驟2)制得的混合溶液中加入鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片，鈦酸四正丁酯與鈣鈦礦相鈦酸鉛的摩爾比為0.02-0.4:1，攪拌混合均勻，得到懸浮液；
4)將步驟3)配置有反應(yīng)物料的反應(yīng)釜內(nèi)膽置于反應(yīng)釜中，密封，于180°C下反應(yīng)24個(gè)小時(shí)，讓反應(yīng)釜自然冷卻到室溫，卸釜后，用無水乙醇洗滌反應(yīng)產(chǎn)物，過濾，烘干。
[0005]本發(fā)明中，所述的鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片可采用中國專利ZL201210036177.8公開的方法制備獲得。
[0006]本發(fā)明中，步驟2)中所述的無水乙醇的用量通常為10_30mL ;所述的反應(yīng)釜通常為聚四氟乙烯內(nèi)膽，不銹鋼套件密閉的反應(yīng)釜。所述的鈦酸四正丁酯、乙醇和氫氟酸的純度都不低于分析純。
[0007]本發(fā)明采用水熱反應(yīng)方法，以鈦酸四正丁酯、氫氟酸的混合溶液和鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片作為水熱反應(yīng)的反應(yīng)物料，通過鈦酸四正丁酯的水解來獲得銳鈦礦相二氧化鈦，以氫氟酸作為礦化劑來修飾T12的晶體生長，使其暴露(OOl)晶面，然后轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，在180°C下密閉水熱處理，得到鈦酸鉛(PbT13)/ 二氧化鈦(T12) 二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑。
[0008]本發(fā)明工藝在實(shí)施過程中，沒有引入其它雜質(zhì)離子，所以水熱后只需要用乙醇洗滌即可。本發(fā)明工藝過程簡單，易于控制，無污染，成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)。制得的復(fù)合材料中二氧化鈦能夠在鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片上呈現(xiàn)薄膜狀態(tài)生長；且紫外光催化效率較高，能夠在紫外光下120min內(nèi)降解80%的亞甲基藍(lán)(MB)。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明制備的鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片與銳鈦礦相二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)的XRD圖譜；
圖2是本發(fā)明制備的鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片與銳鈦礦相二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)的SEM圖片；
圖3是本發(fā)明制備的鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片與銳鈦礦相二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)的切片橫截面TEM圖譜；
圖4是本發(fā)明制備的鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片與銳鈦礦相二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)降解亞甲基藍(lán)(MB )不同時(shí)間的紫外-可見光吸收圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]以下結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0011]實(shí)施例1
1)稱取鈦酸四正丁酯和氫氟酸放入反應(yīng)釜內(nèi)膽中，鈦酸四正丁酯和氫氟酸的體積比為
1.5:1，攪拌 30min;
2)向步驟I)制得的混合溶液中加入乙醇溶液25ml，并攪拌混合均勻；
3)向步驟2)制得的混合溶液中加入鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片，鈦酸四正丁酯與鈣鈦礦相鈦酸鉛的摩爾比為0.1:1，攪拌混合均勻，得到懸浮液；
4)將步驟3)配置有反應(yīng)物料的反應(yīng)釜內(nèi)膽置于反應(yīng)釜中，密封，于180°C下反應(yīng)24個(gè)小時(shí)，讓反應(yīng)釜自然冷卻到室溫，卸釜后，用無水乙醇洗滌反應(yīng)產(chǎn)物，過濾，烘干，得到鈦酸鉛/二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑。
[0012]本例制得的鈦酸鉛/二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)的XRD圖譜見圖1，由圖可見所得峰是鈣鈦礦相鈦酸鉛與銳鈦礦相二氧化鈦的疊加峰，無其它雜質(zhì)峰。其SEM圖見圖2，切片橫截面TEM圖譜見圖3，由圖2和圖3可見制得的二氧化鈦均勻生長在鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片上，呈現(xiàn)薄膜狀態(tài)生長。其催化亞甲基藍(lán)(催化劑用量為0.1g每100 ml亞甲基藍(lán)溶液，亞甲基藍(lán)溶液的濃度為10 5mol/L)的效果如圖4，隨著時(shí)間的推移，溶液的吸光度顯著減小，能夠在120min內(nèi)降解80%的MB，由此可見所得的復(fù)合材料的紫外光催化效率較高。
[0013]
實(shí)施例2
I)稱取鈦酸四正丁酯和氫氟酸放入反應(yīng)釜內(nèi)膽中，鈦酸四正丁酯和氫氟酸的體積比為5:1，攪拌 30min; 2)向步驟I)制得的混合溶液中加入乙醇溶液25ml，并攪拌混合均勻；
3)向步驟2)制得的混合溶液中加入鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片，鈦酸四正丁酯與鈣鈦礦相鈦酸鉛的摩爾比為0.4:1，攪拌混合均勻，得到懸浮液；
4)將步驟3)配置有反應(yīng)物料的反應(yīng)釜內(nèi)膽置于反應(yīng)釜中，密封，于180°C下反應(yīng)24個(gè)小時(shí)，讓反應(yīng)釜自然冷卻到室溫，卸釜后，用無水乙醇洗滌反應(yīng)產(chǎn)物，過濾，烘干，得到鈦酸鉛/ 二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑。其紫外光催化性能很好，能夠在150min內(nèi)降解80% 的 MB。
[0014]
實(shí)施例3
1)稱取鈦酸四正丁酯和氫氟酸放入反應(yīng)釜內(nèi)膽中，鈦酸四正丁酯和氫氟酸的體積比為0.4:1，攪拌 1min;
2)向步驟I)制得的混合溶液中加入乙醇溶液25ml，并攪拌混合均勻；
3)向步驟2)制得的混合溶液中加入鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片，鈦酸四正丁酯與鈣鈦礦相鈦酸鉛的摩爾比為0.08:1，攪拌混合均勻，得到懸浮液；
4)將步驟3)配置有反應(yīng)物料的反應(yīng)釜內(nèi)膽置于反應(yīng)釜中，密封，于180°C下反應(yīng)24個(gè)小時(shí)，讓反應(yīng)釜自然冷卻到室溫，卸釜后，用無水乙醇洗滌反應(yīng)產(chǎn)物，過濾，烘干，得到鈦酸鉛/ 二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑。其紫外光催化性能很好，能夠在150min內(nèi)降解80% 的 MB。
[0015]實(shí)施例4
1)稱取鈦酸四正丁酯和氫氟酸放入反應(yīng)釜內(nèi)膽中，鈦酸四正丁酯和氫氟酸的體積比為
0.25:1，攪拌 1min;
2)向步驟I)制得的混合溶液中加入乙醇溶液30ml，并攪拌混合均勻；
3)向步驟2)制得的混合溶液中加入鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片，鈦酸四正丁酯與鈣鈦礦相鈦酸鉛的摩爾比為0.02:1，攪拌混合均勻，得到懸浮液；
4)將步驟3)配置有反應(yīng)物料的反應(yīng)釜內(nèi)膽置于反應(yīng)釜中，密封，于180°C下反應(yīng)24個(gè)小時(shí)，讓反應(yīng)釜自然冷卻到室溫，卸釜后，用無水乙醇洗滌反應(yīng)產(chǎn)物，過濾，烘干，得到鈦酸鉛/二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑。
[0016]
實(shí)施例5
1)稱取鈦酸四正丁酯和氫氟酸放入反應(yīng)釜內(nèi)膽中，鈦酸四正丁酯和氫氟酸的體積比為8:1，攪拌 30min;
2)向步驟I)制得的混合溶液中加入乙醇溶液10ml，并攪拌混合均勻；
3)向步驟2)制得的混合溶液中加入鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片，鈦酸四正丁酯與鈣鈦礦相鈦酸鉛的摩爾比為0.08:1，攪拌混合均勻，得到懸浮液；
4)將步驟3)配置有反應(yīng)物料的反應(yīng)釜內(nèi)膽置于反應(yīng)釜中，密封，于180°C下反應(yīng)24個(gè)小時(shí)，讓反應(yīng)釜自然冷卻到室溫，卸釜后，用無水乙醇洗滌反應(yīng)產(chǎn)物，過濾，烘干，得到鈦酸鉛/二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鈦酸鉛/ 二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)稱取鈦酸四正丁酯和氫氟酸放入反應(yīng)釜內(nèi)膽中，鈦酸四正丁酯和氫氟酸的體積比為0.25-8:1，攪拌 10-30min; 2)用無水乙醇將步驟I)制得的混合溶液稀釋，攪拌混合均勻； 3)向步驟2)制得的混合溶液中加入鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片，鈦酸四正丁酯與鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片的摩爾比為0.02-0.4:1，攪拌混合均勻，得到懸浮液； 4)將步驟3)配置有反應(yīng)物料的反應(yīng)釜內(nèi)膽置于反應(yīng)釜中，密封，于180°C下反應(yīng)24個(gè)小時(shí)，自然冷卻到室溫，卸釜后，用無水乙醇洗滌反應(yīng)產(chǎn)物，過濾，烘干。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦酸鉛/二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法，其特征是步驟2)中所述的無水乙醇的用量為10-30mL。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦酸鉛/二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法，其特征是所述的反應(yīng)釜為聚四氟乙烯內(nèi)膽，不銹鋼套件密閉的反應(yīng)釜。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦酸鉛/二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法，其特征是所述的鈦酸四正丁酯、乙醇和氫氟酸的純度都不低于分析純。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鈦酸鉛/二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法，以鈦酸四正丁酯、氫氟酸的混合溶液和鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片作為水熱反應(yīng)的物料，通過鈦酸四正丁酯的水解獲得銳鈦礦相二氧化鈦，以氫氟酸作為礦化劑調(diào)整二氧化鈦晶體生長方向，然后轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱處理，得到鈦酸鉛/二氧化鈦二維單晶異質(zhì)結(jié)光催化劑。本發(fā)明制備工藝過程簡單，易于控制，無污染，成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)；制得的復(fù)合材料中二氧化鈦在鈣鈦礦相鈦酸鉛單晶納米片上呈現(xiàn)二維薄膜狀態(tài)生長；且紫外光催化效率較高。
【IPC分類】B01J23/14
【公開號】CN105126809
【申請?zhí)枴緾N201510380552
【發(fā)明人】韓高榮, 李銘, 任召輝, 張升廣, 沈鴿
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年7月2日