镧氮共掺杂二氧化钛新型光催化材料的制备方法与流程

本发明涉及一种光催化剂的制备方法。

背景技术：

水的有机物污染问题成为当今世界重要问题，如何去除水中的有机物成为研究热点，目前，去除水中有机物的方法主要有物理法、化学法和生物法，其中，物化法包括吸附法，超声法，和反渗透法等，物理法能耗大，限制了其应用。生物法运行费用低廉，处理规模大，但其对水质条件要求高。特别是不适用于处理高浓度有机废水。化学法主要包括氧化法和还原法。氧化法中的高级氧化法效率高，备受关注。光催化法是高级氧化法的一种，效率高，成本较低，且能处理高浓度有机废水，颇具有发展前景。半导体光催化剂是光催化氧化技术的核心材料，二氧化钛纳米材料化学稳定性强，价格低廉，无毒，在空气净化，水处理，太阳能转化等领域受到广泛关注。纯二氧化钛粉末由于只能利用紫外光，以及在二氧化钛表面光生电子和空穴的快速复合，大大降低了其光催化效率。因此提高材料在可见光区域的吸收度及减少电荷载流子的重新组合率，非常重要。

技术实现要素：

本发明是针对目前光催化材料领域的可见光利用率低与光生电子和空穴的快速复合的技术难题，提供了一种对镧氮共掺杂二氧化钛纳米材料的制备方法。

1、镧氮共掺杂二氧化钛新型光催化材料的制备方法，其制备方法如下：

一、Ti(OBu)₄-C₂H₅OH溶液的配制：

10～12ml of钛酸四丁酯被溶解在40-50ml乙醇中，制成Ti(OBu)₄-C₂H₅OH溶液

二、C₂H₅OH-HNO₃-H2O溶液的配制

12～15ml稀硝酸(HNO3∶H2O体积比1∶5～1∶6)和La(NO₃)₃_6H₂O(0.19～0.25g)和CO(NH₂)₂(0.079～0.103g)加到另外一个10～12ml乙醇中，彻底搅拌，形成C₂H₅OH-HNO₃-H₂O溶液。

三、混合上述两种溶液，持续搅拌2～3h，直到半透明的凝胶形成，在凝胶室温下放置5～6h后，在333～363K干燥48～56h，

四、在803～853K温度下，在马弗炉中煅烧TiO₂干凝胶4～5h，加热速度为3～5K min^-1。成功得到镧氮共掺杂二氧化钛(La-N-TiO₂)纳米光催化剂。

作为对比，La-TiO₂和N-TiO₂用相同程序制备，只是不添加CO(NH₂)₂和La(NO₃)₃ _6H₂O。同时纯TiO₂纳米光催化剂也用相同的程序制备，只是不添加掺杂剂。

本发明应用的金属离子和氮元素共同掺杂到二氧化钛光催化剂中，可以提高可见光条件下，材料的光催化效率。

在本发明中制备的镧氮共掺杂二氧化钛材料中，氮元素掺杂二氧化钛被认为在可见光条件下提高光催化效率很有效的方法。同时，金属掺杂二氧化钛光催化材料中，金属离子可以捕获光生穴，从而抑制光生电子与空穴复合，也可以达到提高催化效率的效果。

本发明采用的溶胶凝胶法，方便简单，利于工业化应用。

附图说明

图1是实验一制备的镧氮共掺杂二氧化钛光催化材料的场发射扫描电子显微镜图；

图2是实验一制备的镧氮共掺杂二氧化钛光催化材料的透射电子显微镜图；

图3是实验一制备的镧氮共掺杂二氧化钛光催化材料的X射线衍射图，其中单元素掺杂及未掺杂的二氧化钛作为对比；

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式对镧氮共掺杂二氧化钛光催化材料的制备方法如下：

一、Ti(OBu)₄-C₂H₅OH溶液的配制：

10～12ml of钛酸四丁酯被溶解在40-50ml乙醇中，制成Ti(OBu)₄-C₂H₅OH溶液

二、C₂H₅OH-HNO₃-H2O溶液的配制

12～15ml稀硝酸(HNO3∶H2O体积比1∶5～1∶6)和La(NO₃)₃_6H₂O(0.19～0.25g)和CO(NH₂)₂(0.079～0.103g)加到另外一个10～12ml乙醇中，彻底搅拌，形成C₂H₅OH-HNO₃-H₂O溶液。

三、混合上述两种溶液，持续搅拌2～3h，直到半透明的凝胶形成，在凝胶室温下放置5～6h后，在333～363K干燥48～56h，

四、在803～853K温度下，在马弗炉中煅烧TiO₂干凝胶4～5h，加热速度为3～5K min^-1。成功得到镧氮共掺杂二氧化钛(La-N-TiO₂)纳米光催化剂。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中10ml钛酸四丁酯被溶解在40乙醇中。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二中HNO₃∶H₂O体积比1∶5。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中干燥温度为 353K。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三中干燥时间为48h。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤四中煅烧温度为823K。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤四中TiO₂在马弗炉中煅烧时间为6h。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四中TiO₂在马弗炉中煅烧，加热速度为3K min^-1。其它与具体实施方式一至七之一相同。

采用下述实验验证本发明效果：

实验一：

镧氮共掺杂二氧化钛光催化材料制备方法如下：

一、Ti(OBu)₄-C₂H₅OH溶液的配制：

10ml钛酸四丁酯被溶解在40ml乙醇中，制成Ti(OBu)₄-C₂H₅OH溶液

二、C₂H₅OH-HNO₃-H₂O溶液的配制

12ml稀硝酸(HNO₃∶H₂O体积比1∶5)和La(NO₃)₃_6H₂O(0.19g)和CO(NH₂)₂(0.079g)加到另外一个10ml乙醇中，彻底搅拌，形成C₂H₅OH-HNO₃-H2O溶液。

三、混合上述两种溶液，持续搅拌2h，直到半透明的凝胶形成，在凝胶室温下放置6h后，在353K干燥48h，

四、在823K温度下，在马弗炉中煅烧TiO₂干凝胶4h，加热速度为3K min^-1。成功得到La-N-TiO₂纳米光催化剂。

为检验光催化材料的效果，本发明中的光催化效果评价装置是100ml光化学石英反应器，苯酚为目标污染物，装有滤波片的150W的球形氙灯为试验提供可见光源，其距离光化学反应器的距离为20cm，苯酚溶液初始浓度为，光催化剂投入量为20mg。在用光照射前，悬浮溶液在黑暗环境中搅拌30min，完成吸附、解吸平衡。然后打开灯源开关，反应开始。规定时间进行取样，苯酚浓度分析采用的是T6紫外分光光度计.同时测试样品中的TOC，来了解污染物矿化程度。

在反应2h后，苯酚去除率高达86.8％，TOC的去除率高达78.4％。

实验二：

镧掺杂二氧化钛光催化材料制备方法如下：

一、Ti(OBu)₄-C₂H₅OH溶液的配制：

10ml钛酸四丁酯被溶解在40ml乙醇中，制成Ti(OBu)₄-C₂H₅OH溶液

二、C2H5OH-HNO3-H2O溶液的配制

12ml稀硝酸(HNO₃∶H₂O体积比1∶5)和La(NO₃)₃_6H2O(0.19g)加到另外一个10ml乙醇中，彻底搅拌，形成C₂H₅OH-HNO₃-H₂O溶液。

三、混合上述两种溶液，持续搅拌2h，直到半透明的凝胶形成，在凝胶室温下放置6h后，在353K干燥48h，

四、在823K温度下，在马弗炉中煅烧TiO₂干凝胶4h，加热速度为3K min^-1。成功得到La-TiO₂纳米光催化剂。

光催化效果评价装置是100ml光化学石英反应器，苯酚为目标污染物，装有滤波片的150W的球形氙灯为试验提供可见光源，其距离光化学反应器的距离为20cm，苯酚溶液初始浓度为，光催化剂投入量为20mg。在用光照射前，悬浮溶液在黑暗环境中搅拌30min，完成吸附、解吸平衡。然后打开灯源开关，反应开始。规定时间进行取样，苯酚浓度分析采用的是T6紫外分光光度计.同时测试样品中的TOC，来了解污染物矿化程度。

在反应2h后，苯酚去除率高达60％，TOC的去除率高达55％。

实验三：

纯二氧化钛光催化材料制备方法如下：

一、Ti(OBu)₄-C₂H₅OH溶液的配制：

10ml钛酸四丁酯被溶解在40ml乙醇中，制成Ti(OBu)₄-C₂H₅OH溶液

二、C₂H₅OH-HNO₃-H2O溶液的配制

12ml稀硝酸(HNO₃∶H₂O体积比1∶5)加到另外一个10ml乙醇中，彻底搅拌，形成C₂H₅OH-HNO₃-H₂O溶液。

三、混合上述两种溶液，持续搅拌2h，直到半透明的凝胶形成，在凝胶室温下放置6h后，在353K干燥48h，

四、在823K温度下，在马弗炉中煅烧TiO₂干凝胶4h，加热速度为3K min^-1。成功得到La-TiO₂纳米光催化剂。

光催化效果评价装置是100ml光化学石英反应器，苯酚为目标污染物，装有滤波片的150W的球形氙灯为试验提供可见光源，其距离光化学反应器的距离为20cm，苯酚溶液初始浓度为，光催化剂投入量为20mg。在用光照射前，悬浮溶液在黑暗环境中搅拌30min，完成吸附、解吸平衡。然后打开灯源开关，反应开始。规定时间进行取样，苯酚浓度分析采用的是T6紫外分光光度计.同时测试样品中的TOC，来了解污染物矿化程度。

在反应2h后，苯酚去除率高达10％，TOC的去除率高达7％。