氮掺杂锐钛矿型二氧化钛的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种氮掺杂锐钛矿型二氧化钛的制备方法，属于二氧化钛光催化材料的制备领域。
【背景技术】
[0002]光催化材料对环境修复很重要，已经被应用在多种领域，如净化空气、水，除臭，分解水和太阳能转化成电能等。直到现在，已有许多种光催化剂，其中二氧化钛因其光生空穴的强氧化力能够有效除去多种有毒有机化合物和有害材料，被认为是最有前景的光催化材料。二氧化钛在紫外区有宽的带隙和吸收(锐钛矿电磁带隙=3.2eV)。然而，只有约4%的太阳能光子在紫外线范围，因此限制了在现实中的利用。提高可见光活性光催化材料和太阳能效率已成为该领域的研究人员的首要目标。非金属掺杂的方法已被用来制备具有可见光响应的光催化材料，成为近年来热门研究领域。非金属掺杂通过缩小光催化剂的导带、禁带的间隙，得到具有可见光响应的光催化材料，其中氮是最有前景的掺杂剂之一。
[0003]由于氮与氧原子大小相近，电离能小且具有高稳定性，因此氮可以很容易的引入二氧化钛的结构。1986年，Sato发现在二氧化钛溶胶中添加NH4OH,煅烧沉淀物可以得到在可见光下响应的材料[S.Sato,Chemical Physics Letters 123( 1986) 126-128].2001 年，由Asahi发表的氮掺杂二氧化钛可见光活性降解亚甲基蓝和乙醛引起了对非金属掺杂二氧化钦的研究热情[R.Asahi ,T.Morikawa,T.0hwaki ,K.Aoki ,Y.Taga,Science 293(2001)269-271].制备大量或者表面掺杂氮的二氧化钛，通过干法和湿法两种制备方法。其中干法制备包括溅射、离子注入等利用氮离子直接处理二氧化钛的物理技术，以及反应气相法，原子层沉积、脉冲激光沉积等方法。湿法制备中最通用的氮掺杂二氧化钛纳米颗粒合成技术是溶胶-凝胶方法[Miguel Pelaez ,Environmental 125(2012)331-349] ?而以上制备方法大多都涉及到NH3下处理二氧化钛，进而得到氮掺杂二氧化钛材料。因而实验上存在NH3毒性、掺杂效率低、实验过程复杂、操作繁琐等缺点。本发明提出的制备方法，通过氮化钛煅烧氧化生成具有可见光响应的光催化材料，方法简单，避免了使用有毒的NH3。
[0004]二氧化钛中的氧空位作为浅陷阱，可以俘获电子，增加电子空穴的分离时间是光催化反应的关键。而金红石型二氧化钛是稳定的晶型，晶体结构好，晶体缺陷少，因而其氧空位较锐钛矿型二氧化钛含量少。得到以锐钛矿型为主的二氧化钛结构，更大程度的提高可见光响应。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种氮掺杂锐钛矿型二氧化钛的制备方法。其特点是以氮化钛纳米粉末为原料，在没有NH3存在下进行二次氧化处理，氧化成TiNxOy,形成具有锐钛矿型的二氧化钛，在很大程度上提升了二氧化钛中氮的含量，提高了材料对可见光的吸收。
[0006]本发明的目的由以下技术措施实现，其中所述原料份数除特殊说明外，均为重量份数。
[0007]氮掺杂锐钛矿型二氧化钛的制备方法包括以下步骤:
[0008](I).将平均粒径为20?50nm氮化钛7?10份，优选为8.5?9份，置于马弗炉中，在温度380?420°C，优选为395?405°C，恒温煅烧15?90min，优选为30?60min，降至室温，将样品从马弗炉中取出，获得样品I。
[0009](2).将上述样品I置于马弗炉中，在温度330?370°C，优选为345?355°C恒温煅烧I?8h，优选为2?6h，降至室温，将样品从马弗炉中取出，获得氮掺杂锐钛矿型的二氧化钛材料。
[0010]氮掺杂锐钛矿型二氧化钛的制备方法制备得到的氮掺杂锐钛矿型二氧化钛材料。
[0011]氮掺杂锐钛矿型二氧化钛材料用于净化空气、水，除臭，分解水和太阳能转化成电會K。
[0012]结构表征与性能测试:
[0013]1、采用紫外可见固体漫反射对样品I的吸收光谱进行表征，详见图1所示。
[0014]由图1得知，随煅烧时间的增长，氧含量不断增加，材料对可见光的吸收逐渐减弱，但在400?500nm处出现可见光吸收平台。
[0015]2、采用固体粉末衍射对样品I进行表征，详见图2所示。
[0016]由图2得知，随煅烧时间增长，锐钛矿型二氧化钛的峰不断增强，而氮化钛的峰不断减弱。
[0017]根据图1、图2，在温度400°C恒温30min的样品已生成明显的锐钛矿型二氧化钛峰，且保有部分氮化钛，对可见光仍有较高吸收。
[0018]3、采用紫外可见固体漫反射对样品2的吸收光谱进行表征，详见图3所示。
[0019]4、采用固体粉末衍射对样品2进行表征，详见图4所示。
[0020]由图4得知，随煅烧时间增长，锐钛矿型二氧化钛的峰不断增强，而氮化钛的峰不断减弱，在温度350°C恒温4h以后的样品已没有氮化钛峰。
[0021]5、采用紫外-可见分光光度计检测上清液中罗丹明B的含量，详见图5所示
[0022]从图5得知，实施例3在可见光照射下对罗丹明B具有光降解作用。
[0023]6、采用紫外-可见分光光度计检测上清液中罗丹明B的含量，详见图6所示
[0024]从图6得知，实施例5在可见光照射下对罗丹明B具有光降解作用。
[0025]本发明具有如下优点:
[0026]1、本发明制备出氮掺杂锐钛矿型二氧化钛。不仅在很大程度上保证且提升了二氧化钛中氮的含量，并且高温低温两次煅烧制备的材料与一次恒温煅烧得到的材料相比，具有更强的可见光吸收能力。
[0027]2、样品中含有的Ti3+，更有利于聚集电子，防止电子与空穴的复合，可以减缓氧化生成二氧化钛的速率，使样品均匀被氧化，形成均匀的氮掺杂锐钛矿型二氧化钛。并且在400?500nm处产生具有光催化能力的可见光吸收平台。
【附图说明】
[0028]图1为在温度400°C恒温煅烧样品紫外可见固体漫反射吸收光谱图
[0029]图2为在温度400°C下恒温煅烧样品固体粉末衍射图。
[0030]图3为在温度350°C恒温煅烧样品紫外可见固体漫反射吸收光谱图[0031 ]图4为在温度350°C恒温煅烧样品固体粉末衍射图
[0032]图5采用紫外-可见分光光度计检测上清液中罗丹明B的含量图
[0033]图6采用紫外-可见分光光度计检测上清液中罗丹明B的含量图
【具体实施方式】
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