一种硫酸铷掺杂改良的钛基TiO₂薄膜光催化剂制备方法

一种硫酸铷掺杂改良的钛基TiO₂薄膜光催化剂制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种新型的硫酸铷(Rb2SO4)改性的钛基TiO2薄膜的制备方法及其在光催化降解有机污染物方面的应用。制备方法包括以下步骤：1)钛片抛光；2)水热制备；3)自然冷却、晾干4)煅烧最终得到硫酸铷改性的钛基TiO2薄膜光催化剂。并且通过对不同制备时间钛基TiO2钛片进行煅烧，以探究不同形貌对有机染料的光降解能力。本发明力求通过对TiO2片进行原位生长，并掺入不同元素来对其表面结构进行改性，以期制备一种高效且价格低廉的光催化剂，并将其应用于降解印染废水的过程中。本发明运用金属与非金属共掺杂的方式对TiO2进行改性，能够加快污染物向催化剂的传质，以提高其光催化降解效率。
【专利说明】
一种硫酸铷掺杂改良的钛基T i O2薄膜光催化剂制备方法
技术领域
[0001]本发明属于新技术材料合成领域，公布了一种硫酸铷改良的T12片的制备方法以及其在光降解有机污染物方面的应用。该催化剂主要应用于降解有机污染物，特别是印染废水处理方面。
【背景技术】
[0002]1.随着当今社会的不断发展，化学工业的发展亦得到了极大的推动，而工业废水也成为了污染环境的主要因素。众多化学工业中环境污染极其严重的工业之一便是印染工业，其产生的染料废水的来源及污染物成分十分复杂，属于比较难处理的工业废水之一。直接排放印染废水会对人类健康和生存环境带来极大的危害，因而印染废水的绿色处理成为热点关注问题。
[0003]T12作为一种η型半导体材料，因为其具有无毒、催化活性好、可回收并循环使用、良好的化学稳定性及耐光腐蚀性、不会引起二次污染、价格便宜等特点，因而成为了半导体光催化氧化印染废水最常用的催化剂材料。然而，T12的带隙能为3.2eV，只能吸收波长范围小于400nm的紫外光，不能吸收可见光，因而限制了其在光催化方面的应用。
[0004]基于上述现状，本发明采用原位生长技术，并且掺杂Rb2S04，利用水热合成方法，对T12片的表面结构进行改造，在原有T12片表面生成一层氧化薄膜，并且将所合成的薄膜材料进行煅烧，最终形成得到硫酸铷改性的钛基T12薄膜光催化剂。本发明中的光催化剂，不但在紫外光波长范围内具有较好的光催化效果，在可见光范围内也有一定程度的催化效果，能够加快污染物向催化剂的传质，且有效地延长了电子-空穴对的存在时间。该发明为T12在光催化领域以及工业印染废水的处理方面开辟了一条新的道路。

【发明内容】

[0005]本发明主要目的在于克服T12不能吸收可见光，在可见光范围内光催化效果差的问题与缺陷，制备出了一种新型的硫酸铷掺杂改性的钛基T12薄膜光催化剂材料，并提供了其制备方法。
[0006]—种硫酸铷掺杂改良的钛基T12薄膜光催化剂制备方法，其特征在于，采用原位生长合成方法，利用水热合成方式，包括以下步骤:
[0007]I)钛片抛光
[0008]将T12片进行物理抛光、化学抛光，将抛光后的钛片在超声波中运用去离子水多次清洗干净；
[0009]2)水热制备
[0010]清洗后的钛片盛装于高压釜衬中，高压釜衬中含有由H2O2配制的硝酸(HNO3)、硫酸铷(Rb2SO4)和草酸(C2H2O4.2H20)的混合溶液，其中HNO3的摩尔浓度为0.2mol/L，硫酸铷(Rb2SO4)摩尔浓度为0.02mol/L-0.04mol/L，草酸(C2H2O4.2^0)摩尔浓度为0.4mol/L_
0.7mol/L，然后将反应釜在80-200 °C范围内进行水热反应。
[0011]3)自然冷却、晾干
[0012]在水热反应结束后，进行自然冷却，然后将钛片从反应釜中取出，室温下自然晾干，得到生长有氧化薄膜的钛片。；
[0013]4)煅烧
[0014]将晾干的钛片放入马弗炉中，4000C -600 °C范围内煅烧1-2.5小时，最终得到硫酸铷改性的钛基T12薄膜光催化剂。
[0015]步骤(I)所述的物理抛光，分别运用600Cw、800Cw、1000Cw、1200Cw的砂纸打磨钛片。
[0016]步骤(I)所述化学抛光，将钛片浸入V (HF): V (HNO3) = 1:1O的抛光液中抛光60秒。
[0017]步骤(2)所述水热反应优选条件为在800C反应时间为24h。
[0018]5.如权利要求1所述的一种硫酸铷掺杂改良的钛基T12薄膜光催化剂制备方法，其特征在于:步骤(3)所述的马弗炉煅烧温度优选为450°C，煅烧时间为lh。
[0019]步骤(3)所述，所形成的光催化剂生成一层氧化薄膜，薄膜由微球结构组成，并且对有机染料甲基橙有较好的光催化降解效果。
[0020]步骤(4)所述，所合成的钛基T12片具有较好重复利用效果，并且在紫外光照射情况下，与H2O2共同存在的高级氧化体系，在光降解有机染料方面，尤其是对甲基橙具有一定的协同促进作用。
[0021]有益效果:
[0022]本发明采用原位生长合成方法，掺杂Rb2SO4,对T12片的表面结构进行改造，在原有T12片表面生成一层氧化薄膜，薄膜由微球结构组成，并将其应用于光催化降解有机染料，结果证明，与未改性的T12相比，所制备的光催化剂对有机染料具有较高的光降解效率，这为印染废水的光降解提供理论和应用的基础和依据。经试验表明，该发明具有以下优占.V W、.
[0023]1.相比于大量的对于T12的改性材料相比，本发明首次以碱金属铷的硫酸盐硫酸铷为改性材料，这在该研究范围内成为又一突破；
[0024]2.所掺入的Rb+含量极微，但其对钛片表面氧化薄膜的形成起到至关重要的作用，同时也对微球结构的形成起到促进作用；同时，Rb+对光照时产生的电子-空穴对的分离以及存在时间的延长都起到了积极作用；
[0025]3.S元素的掺入使所合成的钛基T12片在可见光范围内产生吸收，改良后的钛片其吸收波长红移至570nm，在可见光范围内产生吸收，提高了对可见光的利用效率；
[0026]4.该光催化剂在钛片表面均匀地分布有微球结构，微球表面生长有针状结构，这极大地增加了其比表面积，使反应活性提高；
[0027]5.金属与非金属的共掺杂提高了光催化活性，两种元素的协同作用是钛基T12光催化剂性能提尚的根本原因；
[0028]6.经过原位合成，并且经过煅烧后，钛片中的主要成分由金属钛转化为锐钛矿相，而锐钛矿相对于有机染料的光降解具有较高效率。
[0029]7.对所合成的光催化剂煅烧可以提高电子-空穴对的分离效率，延长所形成的电子-空穴对的存在时间，有效阻止其复合，从而提高光催化降解效率。
[0030]8.在紫外光和H2O2存在的高级氧化体系中，当加入经过煅烧的钛基T12片时，会对整个光催化体系起到促进作用，而且H2O2与光催化剂展现出协同作用，加速了有机污染物的光降解；
[0031]9.相比较于该领域的粉体光催化剂，所合成的钛基T12薄膜克服了其易于团聚的缺点，这样可以最大限度地增加有效光催化表面积，使催化活性得到大幅度提高；
[0032]10.所合成的钛基T12光催化剂薄膜更加致密、稳定，不易脱落，这样大幅度地减少了光催化剂材料的损失，能够更加利于回收，避免了催化剂本身可能对水体产生的污染；
[0033]11.所制备的光催化剂在回收利用后，其多次光催化降解仍具有较好效果，不但损失少，而且催化的延续效果也可以得到提高。
[0034]本发明中，钛基T12薄膜的最终形成与稳定化成为了制备过程中的关键，通过原位水热方法制备的氧化薄膜，催化效果与稳定程度都不理想，因此采用煅烧方法，在马弗炉中运用450 0C的高温煅烧Ih，所形成的氧化薄膜更加致密，微观微球结构更加完整、均一。本发明经过实验测定，对于20mg/L的甲基橙溶液，在5h的连续光降解过后，其降解效率可以达至IJ84.81 %，相比于未改性的T12材料，其光降解效果具有巨大提升;此外，所合成光催化剂的重复利用效率较高，稳定性较好;并且在H2O2存在的高级氧化体系中，所合成的光催化剂与H2O2对有机污染物的光降解展现出协同作用，加速光降解。本发明工艺简单，方法安全、环保，可行性强，且光催化效果明显，具有较大的工业生产推广潜力。
【附图说明】
[0035]图1为所制备的钛基T12光催化剂的XRD图。(图a: 24h，图b: 30h，图c: 48h，图d:72h；A:锐钛矿，R:金红石，T:金属钛)；
[0036]图2为四个不同制备时间段的光催化剂与P25的UV-vis吸收光谱比较图(a.制备时间为24h光催化剂，b.制备时间为30h光催化剂，c.制备时间为48h光催化剂，d.制备时间为72h光催化剂，e.P25);
[0037]图3为所制备的钛基T12光催化剂的扫描电镜(SEM)图；
[0038]图4为所合成光催化剂对20mg/L的甲基橙溶液在80W高压汞灯照射条件下的光催化降解曲线图(a.未加入光催化剂，b.加入未改性钛片，c.加入制备时间为24h光催化剂，d.加入制备时间为30h光催化剂，e.加入制备时间为48h光催化剂，f.加入制备时间为72h光催化剂)；
[0039]图5为对经过煅烧的制备时间为24h的光催化剂重复降解20mg/L的甲基橙溶液曲线；
[0040]图6为所合成的光催化剂在加入到含有0.01mLH20:^20mg/I^甲基橙溶液中(a.未加入光催化剂，b.加入未改性钛片，c.加入制备时间为24h光催化剂，d.加入制备时间为30h光催化剂，e.加入制备时间为48h光催化剂，f.加入制备时间为72h光催化剂)。
【具体实施方式】
[0041 ] 实施例1
[0042]硫酸铷掺杂改性的钛基T i O 2薄膜光催化剂材料，采用原位生长合成方法，掺杂Rb2SO4,对T12片的表面结构进行改造，在原有T12片表面生成一层氧化薄膜，薄膜由微球结构组成，并将其应用于光催化降解有机染料。
[0043]本文所述的硫酸铷掺杂改性的钛基T12薄膜光催化剂材料的制备方法，包括以下步骤:
[0044]第一步:钛片抛光
[0045]钛片首先进行物理抛光，分别运用6000，8000，10000，12000的砂纸打磨钛片，并将其剪成统一的3cmX 1.5cm的规格;再将上述钛片进行化学抛光，将物理抛光后的钛片浸入HF与HNO3的体积比为1:1O的抛光液中抛光60秒;将抛光后的钛片在超声波中运用去离子水多次清洗干净。
[0046]第二步:水热制备
[0047]将清洗后的钛片盛装于20mL的高压釜衬中，釜衬中分别含有0.16g硫酸铷(Rb2SO4)，1.26g 草酸(C2H2O4.2H20)以及 20mL0.2mol/L 由 H2O2 配置的 HNO3 的均一溶液;将高压釜分别在80°C条件下反应24h;
[0048]第三步:自然冷却、晾干
[0049]在水热反应结束后，进行自然冷却，然后将钛片从反应釜中取出，室温下自然晾干，得到生长有氧化薄膜的钛片，薄膜颜色为黄色；
[0050]第四步:煅烧
[0051]加热反应后，将加热好的T12片放入马弗炉中，分别在450°C条件下煅烧lh，得到硫、铷元素共掺杂的钛基T12薄膜光催化剂材料，氧化薄膜转变为白色。
[0052]在80W高压汞灯照射下，与未改性的T12片相比，对于有机染料的光降解，所制备的改性的光催化剂降解效率提升最高可以达到33.57%。
[0053]对于有机污染物的光降解实验在一个封闭的体系中进行，实验条件为:甲基橙溶液浓度为20mg/L，光源采用80W高压汞灯(包含紫外光和一部分波长范围的可见光)，以光降解5h后的溶液的吸光度值作为评价指标。
[0054]而将所制备的改性光催化剂加入到含有0.0lmLH2O2的20mg/L甲基橙溶液中，在80W高压汞灯照射下，与加入未改性的T12片相比，在100分钟的光降解过程当中，其对整个高级氧化体系光降解的促进效率最高可以达到34.96%。
[0055]实施例2
[0056]硫酸铷掺杂改性的钛基T12薄膜光催化剂材料，采用原位生长合成方法，利用水热合成方式，掺杂Rb2SO4，对T12片的表面结构进行改造，在原有T12片表面生成一层氧化薄膜，薄膜由微球结构组成，并将其应用于光催化降解有机染料。
[0057]本文所述的硫酸铷掺杂改性的钛基T12薄膜光催化剂材料的制备方法，包括以下步骤:
[0058]第一步:钛片抛光
[0059]钛片首先进行物理抛光，分别运用6000，8000，10000，12000的砂纸打磨钛片，并将其剪成统一的3cmX 1.5cm的规格;再将上述钛片进行化学抛光，将物理抛光后的钛片浸入HF与HNO3的体积比为1:1O的抛光液中抛光60秒;将抛光后的钛片在超声波中运用去离子水多次清洗干净。
[0060]第二步:水热制备
[0061]将清洗后的钛片盛装于20mL的高压釜衬中，釜衬中分别含有0.13g硫酸铷(Rb2SO4)，1.51g 草酸(C2H2O4.2H20)以及 20mL0.2mol/L 由 H2O2 配置的 HNO3 的均一溶液;将高压釜分别在120°C条件下反应30h;
[0062]第三步:自然冷却、晾干
[0063]在水热反应结束后，进行自然冷却，然后将钛片从反应釜中取出，室温下自然晾干，得到生长有氧化薄膜的钛片，薄膜颜色为黄色；
[0064]第四步:煅烧
[0065]加热反应后，将加热好的T12片放入马弗炉中，分别在450°C条件下煅烧1.5h，得到硫、铷元素共掺杂的钛基T12薄膜光催化剂材料，氧化薄膜转变为白色。
[0066]在80W高压汞灯照射下，与未改性的T12片相比，对于有机染料的光降解，所制备的改性的光催化剂降解效率提升最高可以达到43.5%。
[0067]对于有机污染物的光降解实验在一个封闭的体系中进行，实验条件为:甲基橙溶液浓度为20mg/L，光源采用80W高压汞灯(包含紫外光和一部分波长范围的可见光)，以光降解5h后的溶液的吸光度值作为评价指标。
[0068]而将所制备的改性光催化剂加入到含有0.0lmLH2O2的20mg/L甲基橙溶液中，在80W高压汞灯照射下，与加入未改性的T12片相比，在100分钟的光降解过程当中，其对整个高级氧化体系光降解的促进效率最高可以达到29.7%。
[0069]实施例3
[0070]硫酸铷掺杂改性的钛基T12薄膜光催化剂材料，采用原位生长合成方法，利用水热合成方式，掺杂Rb2SO4，对T12片的表面结构进行改造，在原有T12片表面生成一层氧化薄膜，薄膜由微球结构组成，并将其应用于光催化降解有机染料。
[0071]本文所述的硫酸铷掺杂改性的钛基T12薄膜光催化剂材料的制备方法，包括以下步骤:
[0072]第一步:钛片抛光
[0073]钛片首先进行物理抛光，分别运用6000，8000，10000，12000的砂纸打磨钛片，并将其剪成统一的3cmX 1.5cm的规格;再将上述钛片进行化学抛光，将物理抛光后的钛片浸入HF与HNO3的体积比为1:1O的抛光液中抛光60秒;将抛光后的钛片在超声波中运用去离子水多次清洗干净。
[0074]第二步:水热制备
[0075]将清洗后的钛片盛装于20mL的高压釜衬中，釜衬中分别含有0.1 Ig硫酸铷(Rb2SO4)，1.76g草酸(C2H2O4.2H20)以及20mL0.2mol/L由H2O2配置的HNO3的均一溶液;将高压釜分别在160 °C条件下反应48h;
[0076]第三步:自然冷却、晾干
[0077]在水热反应结束后，进行自然冷却，然后将钛片从反应釜中取出，室温下自然晾干，得到生长有氧化薄膜的钛片，薄膜颜色为黄色；
[0078]第四步:煅烧
[0079]加热反应后，将加热好的T12片放入马弗炉中，分别在450°C条件下煅烧2h，得到硫、铷元素共掺杂的钛基T12薄膜光催化剂材料，氧化薄膜转变为白色。
[0080]在80W高压汞灯照射下，与未改性的T12片相比，对于有机染料的光降解，所制备的改性的光催化剂降解效率提升最高可以达到53.05%。
[0081]对于有机污染物的光降解实验在一个封闭的体系中进行，实验条件为:甲基橙溶液浓度为20mg/L，光源采用80W高压汞灯(包含紫外光和一部分波长范围的可见光)，以光降解5h后的溶液的吸光度值作为评价指标。
[0082]而将所制备的改性光催化剂加入到含有0.0lmLH2O2的20mg/L甲基橙溶液中，在80W高压汞灯照射下，与加入未改性的T12片相比，在100分钟的光降解过程当中，其对整个高级氧化体系光降解的促进效率最高可以达到35.56%。
[0083]实施例4
[0084]硫酸铷掺杂改性的钛基T12薄膜光催化剂材料，采用原位生长合成方法，利用水热合成方式，掺杂Rb2SO4，对T12片的表面结构进行改造，在原有T12片表面生成一层氧化薄膜，薄膜由微球结构组成，并将其应用于光催化降解有机染料。
[0085]本文所述的硫酸铷掺杂改性的钛基T12薄膜光催化剂材料的制备方法，包括以下步骤:
[0086]第一步:钛片抛光
[0087]钛片首先进行物理抛光，分别运用6000，8000，10000，12000的砂纸打磨钛片，并将其剪成统一的3cmX 1.5cm的规格;再将上述钛片进行化学抛光，将物理抛光后的钛片浸入HF与HNO3的体积比为1:1O的抛光液中抛光60秒;将抛光后的钛片在超声波中运用去离子水多次清洗干净。
[0088]第二步:水热制备
[0089]将清洗后的钛片盛装于20mL的高压釜衬中，釜衬中分别含有0.18g硫酸铷(Rb2SO4)，Ig草酸(C2H2O4.2H20)以及20mL0.2mol/L由H2O2配置的HNO3的均一溶液;将高压釜分别在200°C条件下反应72h;
[0090]第三步:自然冷却、晾干
[0091]在水热反应结束后，进行自然冷却，然后将钛片从反应釜中取出，室温下自然晾干，得到生长有氧化薄膜的钛片，薄膜颜色为黄色；
[0092]第四步:煅烧
[0093]加热反应后，将加热好的T12片放入马弗炉中，分别在450°C条件下煅烧2.5h得到硫、铷元素共掺杂的钛基T12薄膜光催化剂材料，氧化薄膜转变为白色。
[0094]在80W高压汞灯照射下，与未改性的T12片相比，对于有机染料的光降解，所制备的改性的光催化剂降解效率提升最尚可以达到16.6%。
[0095]对于有机污染物的光降解实验在一个封闭的体系中进行，实验条件为:甲基橙溶液浓度为20mg/L，光源采用80W高压汞灯(包含紫外光和一部分波长范围的可见光)，以光降解5h后的溶液的吸光度值作为评价指标。
[0096]而将所制备的改性光催化剂加入到含有0.0lmLH2O2的20mg/L甲基橙溶液中，在80W高压汞灯照射下，与加入未改性的T12片相比，在100分钟的光降解过程当中，其对整个高级氧化体系光降解的促进效率最高可以达到26.47%。
【主权项】
1.一种硫酸铷掺杂改良的钛基T12薄膜光催化剂制备方法，其特征在于，采用原位生长合成方法，利用水热合成方式，包括以下步骤: 1)钛片抛光 将T12片进行物理抛光、化学抛光，将抛光后的钛片在超声波中运用去离子水多次清洗干净； 2)水热制备 清洗后的钛片盛装于高压釜衬中，高压釜衬中含有由H2O2配制的硝酸(HNO3)、硫酸铷(Rb2SO4)和草酸(C2H2O4.2H20)的混合溶液，其中HNO3的摩尔浓度为0.2mol/L，硫酸铷(Rb2SO4)摩尔浓度为0.02mol/L-0.04mol/L，草酸(C2H2O4.2H20)摩尔浓度为0.4mol/L_0.7mol/L，然后将反应釜在80-200 °C范围内进行水热反应。 3)自然冷却、晾干 在水热反应结束后，进行自然冷却，然后将钛片从反应釜中取出，室温下自然晾干，得到生长有氧化薄膜的钛片。； 4)煅烧 将晾干的钛片放入马弗炉中，4000C-600°C范围内煅烧1-2.5小时，最终得到硫酸铷改性的钛基T12薄膜光催化剂。2.如权利要求1所述的一种硫酸铷掺杂改良的钛基T12薄膜光催化剂制备方法，其特征在于:步骤(I)所述的物理抛光，分别运用600Cw、800Cw、lOOOCw、1200Cw的砂纸打磨钛片。3.如权利要求1所述的一种硫酸铷掺杂改良的钛基T12薄膜光催化剂制备方法，其特征在于:步骤(I)所述化学抛光，将钛片浸入V(HF) =V(HNO3) = 1:10的抛光液中抛光60秒。4.如权利要求1所述的一种硫酸铷掺杂改良的钛基T12薄膜光催化剂制备方法，其特征在于:如步骤(2)所述水热反应优选条件为在80 0C反应时间为24h。5.如权利要求1所述的一种硫酸铷掺杂改良的钛基T12薄膜光催化剂制备方法，其特征在于:步骤(3)所述的马弗炉煅烧温度优选为450°C，煅烧时间为lh。6.如权利要求1所述的一种硫酸铷掺杂改良的钛基T12薄膜光催化剂制备方法，其特征在于:如步骤(3)所述，所形成的光催化剂生成一层氧化薄膜，薄膜由微球结构组成，并且对有机染料甲基橙有较好的光催化降解效果。7.如权利要求1所述的一种硫酸铷掺杂改良的钛基T12薄膜光催化剂制备方法，其特征在于:如步骤(4)所述，所合成的钛基T12片具有较好重复利用效果，并且在紫外光照射情况下，与H2O2共同存在的高级氧化体系，在光降解有机染料方面，尤其是对甲基橙具有一定的协同促进作用。
【文档编号】B01J35/02GK106000427SQ201610570332
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月20日
【发明人】康春莉, 王宇寒, 田涛, 陈柏言, 包思琪, 钟宇博, 黄冬梅
【申请人】吉林大学