专利名称：具有可见光催化活性的二氧化钛催化剂的制备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高催化活性锐钛矿型二氧化钛催化剂的制备方法，这种催化剂能在可见光波长范围内被激活、催化降解有机物。
二十世纪后半叶爆发的能源危机不仅带来了光电化学的迅速发展，对光催化材料的开发应用也日益成为一门新兴的课题。1972年Fujishima和Honda首次报道了在TiO2半导体单晶电极上水的光解现象，奠定了多相半导体光催化的基础，标志着金属氧化物光催化剂一个新时代的开始。二氧化钛(TiO2)作为目前研究最广泛的活性最高的光催化剂，它可以吸收4-5％的太阳光，且既具有稳定性好，无毒、耐光腐蚀性、廉价等特点；在处理污染物过程中，除来源于空气中的氧以外，不需要添加任何其它化学药品就可以催化降解水中有机、无机污染物；此外，二氧化钛的杀菌作用也是光催化技术的重要环节。
随着纳米技术的飞速发展，给光催化材料也带来发展机遇。纳米材料的制备在当前材料科学研究中占据极为重要的地位，新的材料制备工艺和过程的研究对控制纳米材料的微观结构和性能具有重要影响。纳米材料的制备方法有很多种，但总体上可分为物理方法和化学方法，制备的关键是控制微粒的大小和获取较窄的粒径分布，改变颗粒的表面电子组态以及分布，进而提高催化剂的光催化活性。物理方法包括蒸发冷凝法、物理粉碎法、机械金属法。化学方法包括气相沉积法、沉淀法、水合成法、溶胶—凝胶法、溶剂蒸发法以及微乳液法，其中溶胶—凝胶法由于其制备粒子纯度高、分散性好，粒径分布窄等特点而被广泛采用。
然而，由传统的溶胶—凝胶法合成的二氧化钛，如果不经过后续的热处理加工，得到的是无定型的二氧化钛，其催化活性微乎其微。二氧化钛有三种晶型锐钛矿，板钛矿和金钛矿，其中锐钛矿的催化活性最高。由传统的溶胶—凝胶法合成的二氧化钛粉体必须经过高于300℃的温度烧结，才能得到锐钛矿相的二氧化钛，本发明的目的在于提供一种应用特定波长的紫外灯作光源，对溶胶—凝胶体系进行辐射来制备锐钛矿型二氧化钛催化剂，采用该方法可在100℃进行热处理就可得到锐钛矿型二氧化钛，其粒径尺寸小于5nm。
本发明所提供的制备锐钛矿型二氧化钛的方法，按下列步骤进行(质量百分比)将5-10％的钛酸酯，1-20％的水解催化剂，70-90％的稀释剂和1-5％的高纯水，置于反应器中，在紫外光源照射下反应10-50小时，得到的溶胶于25±5℃老化5-10天，25±5℃挥发溶剂，在50-150℃的温度下焙烧1-5小时，得到锐钛矿型二氧化钛粉体催化剂。
所述光源的波长范围为200-600nm，紫外光源可为低、中、高压汞灯，氙灯、卤钨灯，所述紫外光源距反应器的距离1-50cm。
所述钛酸酯可以是下列任何一种钛酸丁酯[Ti(OC4H9)4]、钛酸丙酯[Ti(OC3H7)4]、钛酸乙酯[[Ti(OC2H5)4]所述水解催化剂可以是下列任何一种盐酸、硝酸、硫酸、冰醋酸、醋酸銨、氧化銨、硝酸銨稀释剂可以选用下列任何一种无水乙醇、无水甲醇、异丙醇、正丁醇、正丙醇、叔丁醇优选方案一将5-10％的钛酸酯，1-10％的水解催化剂，70-80％的稀释剂和1-5％的高纯水，置于反应器中，在紫外光源照射下反应20-30小时，得到的溶胶于25±5℃老化5-10天，25±5℃挥发溶剂，在50-150℃的温度下焙烧2-4小时，得到锐钛矿型二氧化钛粉体催化剂。优选方案二将5-8％的钛酸酯，1-5％的水解催化剂，70-90％的稀释剂和1-5％的高纯水，置于反应器中，在紫外光源照射下反应30-50小时，得到的溶胶于25±5℃老化5-10天，25±5℃挥发溶剂，在50-100℃的温度下焙烧2-3小时，得到锐钛矿型二氧化钛粉体催化剂。
本发明的优点之一在于将特定波长的紫外线光源引入溶胶制备过程，100℃进行烧结得到了粒子尺寸小于5nm的锐钛矿型二氧化钛粉体；而由传统的溶胶—凝胶方法制备的二氧化钛必经300℃以上烧结才能得到锐钛矿相，而这样的热处理必将导致粒子间的相互聚集，颗粒尺寸的增长，由此降低了催化剂的比表面积，影响催化活性。
本发明所提供的制备方法很好地解决了这一难题，在较低的温度得到锐钛矿相二氧化钛，避免了粒子的聚集成长过程。其次，对于光催化降解水中有机、无机污染物的研究，其中一个重要研究领域是提高太阳光利用率及催化剂催化活性，二氧化钛是一个稳定的禁带大的催化剂(Eg＝3.2ev)，只有被紫外光照射才有活性，而太阳光中紫外区光强小于整个太阳光光强的10％，因此半导体催化剂在太阳光辐射下的催化活性并不高，那么如何提高宽带半导体在可见光区的催化活性就成为当今催化材料研究领域的热门课题。本发明的优点之二在于利用特定波长范围的紫外光做光源，改变光源的辐射波长来调控颗粒的表面形态以及能带结构，在可见光(400-800nm)激发下就表现出良好的催化活性，提高了催化剂对太阳光能源的利用，因而提高催化剂的使用效率，对光催化材料的研究和开发带来深远影响。
利用本发明还可以制备其他半导体催化剂，如ZrO2，SnO2，Al2O3，V2O5，MoO3，WO3，NiO等。
权利要求
1.光助合成具有可见光催化活性的二氧化钛粉体的制备方法，按下列步骤进行(质量百分比)将5-10％的钛酸酯，1-20％的水解催化剂，70-90％的稀释剂，在特定波长范围的紫外灯光源的照射下，于反应器中反应10-50小时，得到的钛溶胶于25±5℃老化3-10天，25±5℃挥发溶剂，钛凝胶在50-150℃的温度下焙烧1-5小时，得到目标锐钛矿型二氧化钛粉体催化剂，该催化剂可在可见光波长范围内被激发催化活性，能有效地催化降解有机污染物。
2.根据权利要求1的制备方法，其特征在于所述紫外灯光源的波长范围为200-600nm。
3.根据权利要求1的制备方法，其特征在于该催化剂适用的有效可见光波长范围为400-800nm。
4.根据权利要求1的制备方法，其特征在于所述的光源为中、低、高压汞灯、氙灯、卤钨灯。
5.根据权利要求1的制备方法，其特征在于所述光源距反应器的距离1-50cm。
6.根据权利要求1的制备方法，其特征在于所述钛酸酯为钛酸丁酯、钛酸丙酯和钛酸乙酯。
全文摘要
本发明公开了一种具有可见光催化活性的锐钛矿型二氧化钛催化剂的制备方法，按下列步骤进行(质量百分比)将5－10％的钛酸酯，1－20％的水解催化剂，70－90％的稀释剂，在特定波长范围的紫外灯光源的照射下，于反应器中反应10－50小时，得到的钛溶胶于25±5℃老化3－10天，25±5℃挥发溶剂，钛凝胶在低于150℃的温度下焙烧1－5小时，得到目标锐钛矿型二氧化钛粉体。采用本发明的制备方法得到的目标二氧化钛催化剂能吸收可见光，在可见光照射下具有光催化活性，能有效地催化降解有机污染物，而且具有催化剂颗粒尺寸小，比表面大等特点。
文档编号B01J37/00GK1459331SQ0212003
公开日2003年12月3日 申请日期2002年5月21日 优先权日2002年5月21日
发明者姚建年, 刘海梅 申请人:中国科学院化学研究所