一种钛酸铁空心微球的制备方法及其应用与流程

本发明属于无机光催化材料领域，涉及一种可见光强响应性的钛酸铁光催化材料，具体涉及一种钛酸铁空心微球的制备方法及其应用。

背景技术：

自1972年日本学者Fujishima等报道了TiO₂电极光催化解水制氢研究后, 以纳米半导体粉体作为光催化剂催化降解有机污染物方面的研究成为各国学者的研究的热点。其中，TiO₂因其稳定的化学和光学性质、无毒害、制备简单和价格低廉备而成为研究最多的光催化剂。但由于TiO₂光催化剂带隙较宽(3.2 eV),量子效率低等因素，如何窄化TiO₂的禁带宽度使其吸收光谱向可见光拓展并降低光生电子-空穴的复合率是光催化领域亟待解决的难题之一。

众多研究者采用不同的方法对TiO₂光催化剂进行改性研究，结果表明过渡金属离子掺杂是提高其光催化性能的有效方法之一，其中关于Fe³⁺的掺杂研究较多。闫鹏飞等通过实验研究铁掺杂TiO₂后发现，TiO₂电子-空穴对的复合减少，光催化效率提高；柳清菊等人采用溶胶-凝胶法制备铁掺杂纳米TiO₂光催化剂，可在普通日光灯下对亚甲基蓝进行高效降解。但这些方法制备的光催化剂成本高、操作复杂且产率低，热、力学性能也极不稳定。

在钙钛矿结构中的天然金属元素绝大多数都是稳定的，新的多组分钙钛矿型复合氧化物能够通过取代或掺杂A位或B位来形成，因而具有稳定的物理化学性能。它的光催化性能会得到极大提高，但整体结构并没有发生根本变化。研究发现钛酸铁光催化剂，拥有2.58–2.9eV的带隙，其激发光的波长与可见光匹配。与其他光催化剂相比，钛酸铁具有高效的可见光响应范围以及较多的活性位点，拥有更好的催化性能，可以实现光解水制氢，光催化杀菌，二氧化氮还原，光催化降解多种结构的有机物且作为光催化剂成本较低，具有巨大经济效应和社会效益。

目前报道的钛酸铁多以实心粉体形式存在。由于光的穿透能力弱，易被散射，导致这种实心结构的钛酸铁对光的利用效率较低。空心微球由于球壁较薄，光能够有效穿透，并可以利用光的二次散射，从而高效利用光能。但未见有空心钛酸铁微球的报道。

本发明针对现有技术的不足，提供一种能高效利用光能的钛酸铁光催化剂及低成本、简单易操作的制备方法，具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钛酸铁空心微球的制备方法，以解决目前钛酸铁光催化剂光利用率低、成本高、操作复杂且产率低的问题，本发明的另一目的在于本发明制得的钛酸铁空心微球用作光催化剂时热、力学性能稳定。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种钛酸铁空心微球的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，取无水氯化铁溶于无水乙醇，取钛酸异丙酯溶于无水乙醇中，待各自完全溶解后，将两种溶液混合搅拌8～12h后，搅拌下加入吡啶；

步骤二，称取模板溶剂溶于无水乙醇，完全溶解后，滴加到步骤一所得的混合液中，边滴加边搅拌；

步骤三，将步骤二所得的混合溶液在150℃～200℃下水热晶化45～50h后，冷却过滤，滤饼用无水乙醇洗涤2～4次，35℃～45℃下真空干燥后，研磨成粉，过500目筛；

步骤四，将步骤三制得的粉体在500℃～800℃下焙烧5～8h，制得钛酸铁空心微球，化学式为Fe₂TiO₅。

所述钛酸异丙酯：无水氯化铁：模板溶剂的摩尔比为1:2:1～2。

所述吡啶用量为溶液中Cl^—的2～3倍。

所述模板溶剂为正辛胺、十二烷基胺、十四烷基胺、十六烷基胺与十八烷基胺中的一种。

本发明的进一步改进方案为：

制得的钛酸铁空心微球作为光催化剂应用于处理污水、净化空气以及降解有机污染物。

本发明通过利用共沉淀法制备钛酸铁，拟利用钛酸铁这种特殊的ABO₃型钙钛矿型复合氧化物，从模板剂的碳链长短和用量以及焙烧温度三个方面出发，改变实验条件，制得Fe₂TiO₅，提供了一种A_nBO_m新型钙钛矿型光催化材料，该材料在紫外光区域内和可见光区域内均有较好的光催化性能。

本发明的有益效果为：

1、Fe₂TiO₅作为一种可见光响应的光催化材料，吸收光波长范围较宽，具有可见光强响应性，太阳光利用率较高。

2、本发明所制备的Fe₂TiO₅光催化剂为空心微球，体积小，颗粒均匀，稳定性较好，比表面积大，可满足异相催化所需的微孔和表面特征，同时增加了钛酸铁与污染物的接触，提高了光催化效率和光催化速率。

3、本发明所制备的Fe₂TiO₅微球具有特殊的空心结构，光线可穿透其外壳，并在微球内部壳层发生部分反射，增加光线的利用率，进一步提高光催化效率。

4、本发明所采用的Fe₂TiO₅空心微球制备方法简单，成本较低。

附图说明

图1为实施例1制得的Fe₂TiO₅空心微球的扫描电镜图。

图2为实施例1制得的Fe₂TiO₅空心微球的XRD表征图。

图3为实施例1制得的Fe₂TiO₅空心微球、Fe₂O₃、TiO₂、实心Fe₂TiO₅的光催化性能表征图，表征时，以对罗丹明B溶液的降解率为基准，从图中可以看出同时间光照后，在光催化剂用量相同的情况下，使用Fe₂TiO₅空心微球光催化剂的样品残留量最少，所以Fe₂TiO₅空心微球的光催化性能最好。

实施例2～5制得的Fe₂TiO₅空心微球光催化性能与实施例1制得的Fe₂TiO₅空心微球类似，在光催化剂用量相同的情况下， Fe₂TiO₅空心微球光催化剂的样品残留量均为最少，Fe₂TiO₅空心微球的光催化性能均为最好，因此，本发明未一一列出其光催化性能表征曲线。

具体实施方式

实施例1

（1）称取0.4867g无水氯化铁溶于9mL无水乙醇中，称取0.8527g的钛酸异丙酯溶于10mL无水乙醇中，待各自完全溶解后，将这两种溶液混合搅拌12h。搅拌状态下加入1.5mL吡啶。

（2）称取1.4488g十六烷基胺溶于12mL无水乙醇中，待完全溶解后，在搅拌的状态下，一滴一滴缓慢加入到步骤（1）所得的混合液中。

（3）将步骤（2）所得的混合溶液在180℃下水热晶化48h，冷却，离心用无水乙醇洗涤三次，40℃真空干燥，研磨成粉，过500目筛。

（4）将步骤（3）制得的粉体800℃焙烧6h，得到粉末状产物。

实施例2

（1）称取0.4867g无水氯化铁溶于9mL无水乙醇中，称取0.8527g的钛酸异丙酯溶于10mL无水乙醇中，待各自完全溶解后，将这两种溶液混合搅拌12h。搅拌状态下加入1.5mL吡啶。

（2）称取0.555g十二烷基胺溶于5mL无水乙醇中，待完全溶解后，在搅拌的状态下，一滴一滴缓慢加入到步骤（1）所得的混合液中。

（3）将步骤（2）所得的混合溶液在150℃下水热晶化50h，冷却，离心用无水乙醇洗涤，40℃真空干燥，研磨成粉，过500目筛。

（4）将步骤（3）制得的粉体500℃焙烧8h，得到粉末状产物。

实施例3

（1）称取0.4867g无水氯化铁溶于9mL无水乙醇中，称取0.8527g的钛酸异丙酯溶于10mL无水乙醇中，待各自完全溶解后，将这两种溶液混合搅拌12h。搅拌状态下加入1.5mL吡啶。

（2）称取0.7754g正辛胺溶于6mL无水乙醇中，待完全溶解后，在搅拌的状态下，一滴一滴缓慢加入到步骤（1）所得的混合液中。

（3）将步骤（2）所得的混合溶液在200℃下水热晶化45h，冷却，离心用无水乙醇洗涤，40℃真空干燥，研磨成粉，过500目筛。

（4）将步骤（3）制得的粉体800℃焙烧6h，得到粉末状产物。

实施例4

（1）称取0.4867g无水氯化铁溶于9mL无水乙醇中，称取0.8527g的钛酸异丙酯溶于10mL无水乙醇中，待各自完全溶解后，将这两种溶液混合搅拌12h。搅拌状态下加入1.5mL吡啶。

（2）称取0.2780g十二烷基胺溶于5mL无水乙醇中，待完全溶解后，在搅拌的状态下，一滴一滴缓慢加入到步骤（1）所得的混合液中。

（3）将步骤（2）所得的混合溶液在180℃下水热晶化48h，冷却，离心用无水乙醇洗涤，40℃真空干燥，研磨成粉，过500目筛。

（4）将步骤（3）制得的粉体500℃焙烧6h，得到粉末状产物。

实施例5

（1）称取0.4867g无水氯化铁溶于9mL无水乙醇中，称取0.8527g的钛酸异丙酯溶于10mL无水乙醇中，待各自完全溶解后，将这两种溶液混合搅拌12h。搅拌状态下加入1.5mL吡啶。

（2）称取1.1121g十二烷基胺溶于10mL无水乙醇中，待完全溶解后，在搅拌的状态下，一滴一滴缓慢加入到步骤（1）所得的混合液中。

（3）将步骤（2）所得的混合溶液在180℃下水热晶化48h，冷却，离心用无水乙醇洗涤，40℃真空干燥，研磨成粉，过500目筛。

（4）将步骤（3）制得的粉体600℃焙烧6h，得到粉末状产物。