一种钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球及其制备方法，属于光催化领域，以Stober法合成的纳米二氧化硅球为模板，通过溶胶凝胶法在二氧化硅纳米球的外侧包覆钆离子掺杂的二氧化钛，高温煅烧使无定型的二氧化钛转变成锐钛矿的二氧化钛，然后用氢氧化钠溶液腐蚀内部的二氧化硅核，洗涤离心得到具有高催化效率的钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球。把二氧化钛做成介孔空心提高了反应的比表面积，掺杂钆离子抑制了光子和空穴的复合，延长了光子和空穴的寿命，提高了光子和空穴的利用率，使催化效率得以提高。
【专利说明】一种钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球
【技术领域】
[0001]本发明属于光催化领域，具体涉及一种钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球及其制备方法。
【背景技术】
[0002]自从1972年日本东京大学的两位学者桥本和仁(Hashimoto)和藤岛昭(Fujishima)在Nature发表了 TiO2电极在可见光下能够电解水以后,二氧化钛光催化机理的探究和应用成为研究者们的热门课题。
[0003]经过几十年的研究，二氧化钛被认为是最有应用价值的半导体氧化物，它的应用涉及到传感器、光子晶体、能量储存器和光催化剂等。同其它催化剂相比，二氧化钛光催化活性高，化学稳定性好，低毒，基于这些特点，二氧化钛成为光催化领域的首选。在光照条件下，二氧化钛会产生具有氧化还原能力的电子和空穴，电子和空穴会与吸附在二氧化钛的表面的有机物发生氧化还原反应，但电子与空穴的复合速度快，导致有些电子和空穴还没来得及发生反应已经复合，催化效率低，所以抑制电子和空穴的复合成为研究的首要，抑制电子和空穴的复合最有效的是在二氧化钛晶格中掺杂金属离子，非金属离子或者非金属离子。这些离子能在二氧化钛晶格中形成捕获陷阱，把电子或者空穴暂时捕获，延长了电子和空穴的寿命，提高了催化效率。同时为了提高光催化面积，二氧化钛一般被做成球形的，提高了反应面积。本发明选择钆离子做为掺杂离子，因为钆离子属于过渡金属离子，钆的重要性质是7个轨道上每个轨道有一个电子，是稀土元素中最大数的不成对电子，可以最大程度的抑制电子和空穴的复合，同时为了提高反应的面积，本发明以纳米二氧化硅为模板，把二氧化钛做介孔成空心的，比表面积更大。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球及其制备方法，把二氧化钛做成介孔空心提高了反应的比表面积，掺杂钆离子抑制了光子和空穴的复合，延长了光子和空穴的寿命，提高了光子和空穴的利用率，使催化效率得以提高。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
以正硅酸四乙酯为硅源，用Stober法制得纳米二氧化硅；然后在纳米二氧化硅的表面包覆钆离子掺杂的二氧化钛；高温煅烧使无定型二氧化钛转变成锐钛矿的二氧化钛；最后用氢氧化钠溶液腐蚀二氧化硅，离心洗涤得到钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球。
[0006]制备方法包括以下步骤:
(1)纳米二氧化硅小球的制备
配制去离子水、无水乙醇和氨水的混合液A，室温下搅拌Ih?1.5h，使之混合均匀，然后加入正硅酸四乙酯和无水乙醇的混合液B，继续搅拌，反应2h?4h，离心洗涤，将纳米二氧化硅小球分散于无水乙醇中；
(2)二氧化硅小球表面包覆钆离子掺杂的二氧化钛 步骤(I)的二氧化硅分散液与无水乙醇、羟丙基纤维素、硝酸钆溶液的混合液C，室温下搅拌Ih?1.5h，然后逐滴滴加钛酸四丁酯和无水乙醇的混合液D，控制滴加速度，IOmin?15min滴加完毕,把温度缓慢升到70°C?85°C,恒温回流80min?120min,离心洗涤，100°C干燥 IOh ?18h ；
(3)高温煅烧步骤(2)所制得的复合小球；
(4)去除二氧化硅核
将煅烧后的复合小球加入氢氧化钠溶液中腐蚀，离心洗涤，除去二氧化硅核，得到所述的钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球。
[0007]步骤(I)混合液A中去离子水、无水乙醇和氨水的体积比为:15.0?25.0:71.0?83.0:2.0?4.0 ;混合液B中正硅酸四乙酯和无水乙醇的体积比为8.0?12.0:88.0?92.0 ;混合液A与混合液B的体积比为9:3?5。
[0008]正硅酸四乙酯与钆离子的摩尔比为1000:1?5。
[0009]步骤(2)无水乙醇与钛酸四丁酯的体积比为25:1?4，钛酸四丁酯与硝酸钆溶液的体积比为10:1?4，钛酸四丁酯与羟丙基纤维素的质量比为10:1?3，混合液C与混合液D中无水乙醇的体积比为4:1?3。
[0010]步骤(3 )煅烧温度为400 V?600 V，煅烧时间为2h?4h。
[0011]步骤(4)中氢氧化钠溶液的浓度为2.0?3.0mol/L，腐蚀时间为2.0?4.0h。
[0012]本发明的显著优点在于:把延长电子和空穴的寿命与提高二氧化钛的比表面积相结合，以纳米二氧化硅为内核，在二氧化硅表面包覆钆离子掺杂的二氧化钛，高温煅烧复合小球，二氧化硅核可以通过氢氧化钠溶液腐蚀除去，得到高催化效率的空心纳米二氧化钛球。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是实施例2的SEM图。
[0014]图2是实施例2的TEM图。
[0015]图3是实施例1-3的XRD图。
[0016]图4是实施例1-3的光催化亚甲基蓝的效果图:A是实心纳米二氧化钛球；B是介孔空心纳米二氧化钛球；c是钆离子掺杂量为0.1%的介孔空心纳米二氧化钛球；D是钆离子掺杂量为0.5%的介孔空心纳米二氧化钛球；E是钆离子掺杂量为0.3%的介孔空心纳米二氧化钛球。
【具体实施方式】
[0017]下面以具体实施例来对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此 实施例1
(I)纳米二氧化硅小球的制备
室温下，向50ml锥形瓶中加入A液:4.3ml去离子水、15ml无水乙醇和0.62ml氨水搅拌0.5h。然后加入B液:0.86ml正硅酸四乙酯和8ml无水乙醇继续反应3h，离心洗涤将小球分散在5ml无水乙醇中。
[0018](2) 二氧化硅小球表面包覆钆离子掺杂的二氧化钛 室温下，在三口瓶中加入C液:5ml步骤(I)的二氧化娃分散液、15ml无水乙醇、0.1g轻丙基纤维素和0.1ml浓度为0.00284mol/L的硝酸钆溶液搅拌0.5h。然后逐滴滴加D液:Iml钛酸四丁酯和5ml无水乙醇组成的混合液，控制滴加速度12min滴加完毕，然后把温度缓慢升到85°C，恒温回流，反应lOOmin，然后离心洗涤，鼓风干燥箱中100°C干燥12h。
[0019](3)煅烧所得复合小球
将(2)中所得复合小球在500°C的马弗炉中煅烧3h。
[0020](4)去除二氧化硅核
将煅烧得到的纳米球加入2.5mol/L的氢氧化钠溶液中反应3h，离心洗涤，除去二氧化硅核，得到钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球。
[0021]实施例2
(I)纳米二氧化硅小球的制备
室温下，向50ml锥形瓶中加入A液:4.3ml去离子水、15ml无水乙醇和0.62ml氨水搅拌0.5h。然后加入B液:0.86ml正硅酸四乙酯和8ml无水乙醇继续反应3h，离心洗涤将小球分散在5ml无水乙醇中。
[0022](2) 二氧化硅小球表面包覆钆离子掺杂的二氧化钛
室温下，在三口瓶中加入C液:5ml步骤(I)的二氧化娃分散液、15ml无水乙醇、0.1g轻丙基纤维素和0.1ml浓度为0.00852mol/L的硝酸钆溶液搅拌0.5h。然后逐滴滴加D液:Iml钛酸四丁酯和5ml无水乙醇组成的混合液，控制滴加速度12min滴加完毕，然后把温度缓慢升到85°C，恒温回流，反应lOOmin，然后离心洗涤，鼓风干燥箱中100°C干燥12h。
[0023](3)煅烧所得复合小球
将(2)中所得复合小球在500°C的马弗炉中煅烧3h。
[0024](4)去除二氧化硅核
将煅烧得到的纳米球加入2.5mol/L的氢氧化钠溶液中反应3h，离心洗涤，除去二氧化硅核，得到钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球。
[0025]实施例3
(I)纳米二氧化硅小球的制备
室温下，向50ml锥形瓶中加入A液:4.3ml去离子水、15ml无水乙醇和0.62ml氨水搅拌0.5h。然后加入B液:0.86ml正硅酸四乙酯和8ml无水乙醇继续反应3h，离心洗涤将小球分散在5ml无水乙醇中。
[0026](2) 二氧化硅小球表面包覆钆离子掺杂的二氧化钛
室温下，在三口瓶中加入C液:5ml步骤(I)的二氧化娃分散液、15ml无水乙醇、0.1g轻丙基纤维素和0.1ml浓度为0.0142mol/L的硝酸钆溶液搅拌0.5h。然后逐滴滴加D液:1ml钛酸四丁酯和5ml无水乙醇组成的混合液，控制滴加速度12min滴加完毕，然后把温度缓慢升到85°C，恒温回流，反应lOOmin，然后离心洗涤，鼓风干燥箱中100°C干燥12h。
[0027](3)煅烧所得复合小球
将(2)中所得复合小球在500°C的马弗炉中煅烧3h。
[0028](4)去除二氧化硅核
将煅烧得到的纳米球加入2.5mol/L的氢氧化钠溶液中反应3h，离心洗涤，除去二氧化硅核，得到钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球。[0029]由图1和图2可知，所得的钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球呈圆球形，球的直径大小为200nm左右，壁厚为20nm左右。
[0030]实施例1中掺杂的钆离子占二氧化钛的0.1%，实施例2中掺杂的钆离子占二氧化钛的0.3%，实施例3中掺杂的钆离子占二氧化钛的0.5%，图3是实施例1-3的XRD图，由图3可知实施例1-3 二氧化钛的晶型均为锐钛矿，实施例1所得二氧化钛的晶粒大小为17.5nm，实施例2所得二氧化钛的晶粒的大小为15.2nm，实施例3所得二氧化钛的晶粒大小为16.5nm，可见，加入适量的掺杂离子可抑制二氧化钛晶粒长大，由图4可知，掺杂适当的钆离子可以提高二氧化钛球的光催化活性，掺杂量为0.3%时光催化活性最好，当掺杂过多的钆离子时，这些离子在二氧化钛的晶格中成为光电子和空穴的结合中心，催化效率降低。
[0031]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【权利要求】
1.一种钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球，其特征在于:以正硅酸四乙酯为硅源，用Stober法制得纳米二氧化硅；然后在纳米二氧化硅的表面包覆钆离子掺杂的二氧化钛；高温煅烧使无定型二氧化钛转变成锐钛矿的二氧化钛；最后用氢氧化钠溶液腐蚀二氧化硅，离心洗涤得到钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球。
2.一种制备如权利要求1所述的钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球的方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)纳米二氧化硅小球的制备 配制去离子水、无水乙醇和氨水的混合液A，室温下搅拌Ih?1.5h，使之混合均匀，然后加入正硅酸四乙酯和无水乙醇的混合液B，继续搅拌，反应2h?4h，离心洗涤，将纳米二氧化硅小球分散于无水乙醇中； (2)二氧化硅小球表面包覆钆离子掺杂的二氧化钛 步骤(I)的二氧化硅分散液与无水乙醇、羟丙基纤维素、硝酸钆溶液的混合液C，室温下搅拌Ih?1.5h，然后逐滴滴加钛酸四丁酯和无水乙醇的混合液D，控制滴加速度，IOmin?15min滴加完毕,把温度缓慢升到70°C?85°C,恒温回流80min?120min,离心洗涤，100°C干燥 IOh ?18h ； (3)高温煅烧步骤(2)所制得的复合小球； (4)去除二氧化硅核 将煅烧后的复合小球加入氢氧化钠溶液中腐蚀，离心洗涤，除去二氧化硅核，得到所述的钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球。
3.根据权利要求2所述的钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球的制备方法，其特征在于:步骤(I)混合液A中去离子水、无水乙醇和氨水的体积比为:15.0?25.0:71.0?83.0:2.0?4.0 ;混合液B中正硅酸四乙酯和无水乙醇的体积比为8.0?12.0:88.0?92.0 ;混合液A与混合液B的体积比为9:3?5。
4.根据权利要求2所述的钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球的制备方法，其特征在于:正硅酸四乙酯与钆离子的摩尔比为1000:1?5。
5.根据权利要求2所述的钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球的制备方法，其特征在于:步骤(2)无水乙醇与钛酸四丁酯的体积比为25:1?4，钛酸四丁酯与硝酸钆溶液的体积比为10:1?4，钛酸四丁酯与羟丙基纤维素的质量比为10:1?3，混合液C与混合液D中无水乙醇的体积比为4:1?3。
6.根据权利要求2所述的钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球的制备方法，其特征在于:步骤(3)煅烧温度为400°C?600°C，煅烧时间为2h?4h。
7.根据权利要求2所述的钆离子掺杂的介孔空心纳米二氧化钛球的制备方法，其特征在于:步骤(4)中氢氧化钠溶液的浓度为2.0?3.0mol/L，腐蚀时间为2.0?4.0h。
【文档编号】B01J23/10GK103816887SQ201410108375
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】郑玉婴, 尚鹏博, 林锦贤 申请人:福州大学