專(zhuān)利名稱(chēng)：具有可見(jiàn)光催化活性的二氧化鈦催化劑的制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高催化活性銳鈦礦型二氧化鈦催化劑的制備方法，這種催化劑能在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)被激活、催化降解有機(jī)物。
二十世紀(jì)后半葉爆發(fā)的能源危機(jī)不僅帶來(lái)了光電化學(xué)的迅速發(fā)展，對(duì)光催化材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用也日益成為一門(mén)新興的課題。1972年Fujishima和Honda首次報(bào)道了在TiO2半導(dǎo)體單晶電極上水的光解現(xiàn)象，奠定了多相半導(dǎo)體光催化的基礎(chǔ)，標(biāo)志著金屬氧化物光催化劑一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始。二氧化鈦(TiO2)作為目前研究最廣泛的活性最高的光催化劑，它可以吸收4-5％的太陽(yáng)光，且既具有穩(wěn)定性好，無(wú)毒、耐光腐蝕性、廉價(jià)等特點(diǎn)；在處理污染物過(guò)程中，除來(lái)源于空氣中的氧以外，不需要添加任何其它化學(xué)藥品就可以催化降解水中有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物；此外，二氧化鈦的殺菌作用也是光催化技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。
隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，給光催化材料也帶來(lái)發(fā)展機(jī)遇。納米材料的制備在當(dāng)前材料科學(xué)研究中占據(jù)極為重要的地位，新的材料制備工藝和過(guò)程的研究對(duì)控制納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能具有重要影響。納米材料的制備方法有很多種，但總體上可分為物理方法和化學(xué)方法，制備的關(guān)鍵是控制微粒的大小和獲取較窄的粒徑分布，改變顆粒的表面電子組態(tài)以及分布，進(jìn)而提高催化劑的光催化活性。物理方法包括蒸發(fā)冷凝法、物理粉碎法、機(jī)械金屬法?；瘜W(xué)方法包括氣相沉積法、沉淀法、水合成法、溶膠—凝膠法、溶劑蒸發(fā)法以及微乳液法，其中溶膠—凝膠法由于其制備粒子純度高、分散性好，粒徑分布窄等特點(diǎn)而被廣泛采用。
然而，由傳統(tǒng)的溶膠—凝膠法合成的二氧化鈦，如果不經(jīng)過(guò)后續(xù)的熱處理加工，得到的是無(wú)定型的二氧化鈦，其催化活性微乎其微。二氧化鈦有三種晶型銳鈦礦，板鈦礦和金鈦礦，其中銳鈦礦的催化活性最高。由傳統(tǒng)的溶膠—凝膠法合成的二氧化鈦粉體必須經(jīng)過(guò)高于300℃的溫度燒結(jié)，才能得到銳鈦礦相的二氧化鈦，本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用特定波長(zhǎng)的紫外燈作光源，對(duì)溶膠—凝膠體系進(jìn)行輻射來(lái)制備銳鈦礦型二氧化鈦催化劑，采用該方法可在100℃進(jìn)行熱處理就可得到銳鈦礦型二氧化鈦，其粒徑尺寸小于5nm。
本發(fā)明所提供的制備銳鈦礦型二氧化鈦的方法，按下列步驟進(jìn)行(質(zhì)量百分比)將5-10％的鈦酸酯，1-20％的水解催化劑，70-90％的稀釋劑和1-5％的高純水，置于反應(yīng)器中，在紫外光源照射下反應(yīng)10-50小時(shí)，得到的溶膠于25±5℃老化5-10天，25±5℃揮發(fā)溶劑，在50-150℃的溫度下焙燒1-5小時(shí)，得到銳鈦礦型二氧化鈦粉體催化劑。
所述光源的波長(zhǎng)范圍為200-600nm，紫外光源可為低、中、高壓汞燈，氙燈、鹵鎢燈，所述紫外光源距反應(yīng)器的距離1-50cm。
所述鈦酸酯可以是下列任何一種鈦酸丁酯[Ti(OC4H9)4]、鈦酸丙酯[Ti(OC3H7)4]、鈦酸乙酯[[Ti(OC2H5)4]所述水解催化劑可以是下列任何一種鹽酸、硝酸、硫酸、冰醋酸、醋酸銨、氧化銨、硝酸銨稀釋劑可以選用下列任何一種無(wú)水乙醇、無(wú)水甲醇、異丙醇、正丁醇、正丙醇、叔丁醇優(yōu)選方案一將5-10％的鈦酸酯，1-10％的水解催化劑，70-80％的稀釋劑和1-5％的高純水，置于反應(yīng)器中，在紫外光源照射下反應(yīng)20-30小時(shí)，得到的溶膠于25±5℃老化5-10天，25±5℃揮發(fā)溶劑，在50-150℃的溫度下焙燒2-4小時(shí)，得到銳鈦礦型二氧化鈦粉體催化劑。優(yōu)選方案二將5-8％的鈦酸酯，1-5％的水解催化劑，70-90％的稀釋劑和1-5％的高純水，置于反應(yīng)器中，在紫外光源照射下反應(yīng)30-50小時(shí)，得到的溶膠于25±5℃老化5-10天，25±5℃揮發(fā)溶劑，在50-100℃的溫度下焙燒2-3小時(shí)，得到銳鈦礦型二氧化鈦粉體催化劑。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)之一在于將特定波長(zhǎng)的紫外線光源引入溶膠制備過(guò)程，100℃進(jìn)行燒結(jié)得到了粒子尺寸小于5nm的銳鈦礦型二氧化鈦粉體；而由傳統(tǒng)的溶膠—凝膠方法制備的二氧化鈦必經(jīng)300℃以上燒結(jié)才能得到銳鈦礦相，而這樣的熱處理必將導(dǎo)致粒子間的相互聚集，顆粒尺寸的增長(zhǎng)，由此降低了催化劑的比表面積，影響催化活性。
本發(fā)明所提供的制備方法很好地解決了這一難題，在較低的溫度得到銳鈦礦相二氧化鈦，避免了粒子的聚集成長(zhǎng)過(guò)程。其次，對(duì)于光催化降解水中有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物的研究，其中一個(gè)重要研究領(lǐng)域是提高太陽(yáng)光利用率及催化劑催化活性，二氧化鈦是一個(gè)穩(wěn)定的禁帶大的催化劑(Eg＝3.2ev)，只有被紫外光照射才有活性，而太陽(yáng)光中紫外區(qū)光強(qiáng)小于整個(gè)太陽(yáng)光光強(qiáng)的10％，因此半導(dǎo)體催化劑在太陽(yáng)光輻射下的催化活性并不高，那么如何提高寬帶半導(dǎo)體在可見(jiàn)光區(qū)的催化活性就成為當(dāng)今催化材料研究領(lǐng)域的熱門(mén)課題。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)之二在于利用特定波長(zhǎng)范圍的紫外光做光源，改變光源的輻射波長(zhǎng)來(lái)調(diào)控顆粒的表面形態(tài)以及能帶結(jié)構(gòu)，在可見(jiàn)光(400-800nm)激發(fā)下就表現(xiàn)出良好的催化活性，提高了催化劑對(duì)太陽(yáng)光能源的利用，因而提高催化劑的使用效率，對(duì)光催化材料的研究和開(kāi)發(fā)帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。
利用本發(fā)明還可以制備其他半導(dǎo)體催化劑，如ZrO2，SnO2，Al2O3，V2O5，MoO3，WO3，NiO等。
權(quán)利要求
1.光助合成具有可見(jiàn)光催化活性的二氧化鈦粉體的制備方法，按下列步驟進(jìn)行(質(zhì)量百分比)將5-10％的鈦酸酯，1-20％的水解催化劑，70-90％的稀釋劑，在特定波長(zhǎng)范圍的紫外燈光源的照射下，于反應(yīng)器中反應(yīng)10-50小時(shí)，得到的鈦溶膠于25±5℃老化3-10天，25±5℃揮發(fā)溶劑，鈦凝膠在50-150℃的溫度下焙燒1-5小時(shí)，得到目標(biāo)銳鈦礦型二氧化鈦粉體催化劑，該催化劑可在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)被激發(fā)催化活性，能有效地催化降解有機(jī)污染物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于所述紫外燈光源的波長(zhǎng)范圍為200-600nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于該催化劑適用的有效可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍為400-800nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于所述的光源為中、低、高壓汞燈、氙燈、鹵鎢燈。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于所述光源距反應(yīng)器的距離1-50cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于所述鈦酸酯為鈦酸丁酯、鈦酸丙酯和鈦酸乙酯。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有可見(jiàn)光催化活性的銳鈦礦型二氧化鈦催化劑的制備方法，按下列步驟進(jìn)行(質(zhì)量百分比)將5－10％的鈦酸酯，1－20％的水解催化劑，70－90％的稀釋劑，在特定波長(zhǎng)范圍的紫外燈光源的照射下，于反應(yīng)器中反應(yīng)10－50小時(shí)，得到的鈦溶膠于25±5℃老化3－10天，25±5℃揮發(fā)溶劑，鈦凝膠在低于150℃的溫度下焙燒1－5小時(shí)，得到目標(biāo)銳鈦礦型二氧化鈦粉體。采用本發(fā)明的制備方法得到的目標(biāo)二氧化鈦催化劑能吸收可見(jiàn)光，在可見(jiàn)光照射下具有光催化活性，能有效地催化降解有機(jī)污染物，而且具有催化劑顆粒尺寸小，比表面大等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B01J37/00GK1459331SQ0212003
公開(kāi)日2003年12月3日 申請(qǐng)日期2002年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月21日
發(fā)明者姚建年, 劉海梅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所