一种快速检测氧化钛中氧空位的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于氧化钛催化剂研宄领域，具体涉及一种利用氧化钛的氧空位与乙醚催 化发光反应的相关性，以乙醚作为分子探针来快速检测氧化钛中氧空位的方法。
【背景技术】
[0002] 氧化钛具有十分优异的光学特性，高的化学稳定性，热稳定性，无毒性且在自然界 中储存量大，在很多领域都显示出很好的发展前景。研宄发现，氧化钛的性质不仅仅依赖于 其几何以及电子结构，同时也受到其缺陷结构的影响。目前，已经有很多的科学工作者致力 于氧化钛缺陷的化学、电学以及光学性质研宄，以更好的调控氧空位的浓度，从而来促进催 化反应。在这些氧化钛的缺陷中，氧空位被认为是有突出研宄意义的缺陷。理论计算和实 验表征显示，二氧化钛中的氧空位能作为光生电子陷阱，从而有效的增强其光催化活性。因 此，有效的评价氧化钛中氧空位的浓度对于通过合适的手段调控氧化钛的性质具有非常重 要的意义。
[0003] 然而，由于氧空位具有不稳定，浓度低的性质，导致其很难被检测。目前用于氧空 位检测的方法主要有表面滴定法，电子顺磁光谱（ESR)，X-射线光电子能谱法（XPS)。例 如：A.N.Petrov,SolidStateIonics1995, 80, 189-199该文献采用表面滴定法，该方法为 传统的氧空位定性和定量分析方法，其缺点是当Ti02催化剂颜色较深时，滴定终点容易受 到干扰而产生一定的误差。文献Xu，X.Inorg.Chem. 2015, 54, 1556-1562利用电子顺磁光谱 (ESR)对氧空位进行了有效的表征，但是通常这种方法对系统的要求比较高，同时需要专业 的技术人员操作；文献Murray,C.B.J.Am.Chem.Soc. 2012, 134, 6751-6761 采用X-射线光电 子能谱法（XPS)，利用0Is的XPS结合能很好的表征了Ti02表面的氧空位，但是这种方法 相对成本较高，耗时长，这就限制了该技术的广泛应用性。研宄一种快速、简便的评价氧化 钛中氧空位的方法是相当重要的。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种快速检测氧化钛中氧空位的方 法，该方法简便、快捷，具有较高的实际应用前景。
[0005] 该方法以乙醚分子作为探针，利用金属离子掺杂的Ti02以及氢气热处理过的Ti02 的催化活性与其氧空位含量的相关性，结合气体催化发光来快速检测氧化钛的氧空位，进 而对氧化钛的催化活性进行筛选评价。在气体状态下，首先，气体分子乙醚和氧气扩散到氧 化钛表面；氧化钛表面的氧空位具有较强的吸附氧气分子的能力，吸附到氧空位的氧气可 以通过捕获一个自由电子形成具有较强氧化性的超氧种类（〇 2_)，然后，化学吸附态的乙醚 分子与〇2_反应生成激发态的乙醛分子（CH3CH(f)，激发态的乙醛分子回到基态的过程会产 生一定的能量，该能量以光学的形式释放出来，并由光电倍增管放大信号检测。根据氧化钛 中氧空位的量与发光信号成正比，通过测定发光信号的强弱，实现氧化钛中氧空位的快速 检测，同时可以筛选到适合的氧化钛催化剂。
[0006] 检测氧化钛中氧空位的装置如图1所示，其中空气泵、气化室、石英管通过硅胶管 连接，石英管置于化学发光分析仪中；石英管内有一个可拆卸陶瓷棒，一个接触变压器给陶 瓷棒加热；化学发光分析仪与电脑连接。
[0007] 氧化钛中氧空位的具体测试方法如下：
[0008] A.将氧化钛粉末加入去离子水中配成0. 50-0. 55g/mL的浆液，均匀涂覆到陶瓷棒 上，涂覆的厚度为〇. 45-0. 50mm。
[0009] 所述的氧化钛是掺杂了M金属离子的，M为Cu，Fe，Co，Cr离子之一，M的掺杂量占 Ti02的质量百分含量是0. 5% -2. 0%以及经过250°C_400°C氢气气氛下焙烧处理30-60分 钟的氧化钛。
[0010] B.待步骤A陶瓷棒上的浆液微干，将陶瓷棒装入化学发光分析仪器内部的 石英管中；除去空气泵中的水、用经活性炭过滤后的空气作为反应的载气，控制流速在 200-300mL/min，使得气体流速均匀的通过石英管中陶瓷棒的表面；用接触变压器给陶瓷棒 施以100-110V的电压，将陶瓷棒的温度升至检测的温度150-200°C;
[0011] C.开启汽化室内升温度装置使温度升至150-200°C，将0. 1摩尔乙醚溶液注入汽 化室中，空气泵中的空气流经汽化室并将其中汽化的乙醚带入石英管，乙醚与陶瓷棒上的 氧化钛反应并产生发光，由化学发光分析仪采集数据，记录并分析数据。根据氧化钛中氧空 位的量与反应产生的发光信号成正比的现象，从而可比较氧化钛催化剂中氧空位含量的高 低。
[0012] 所述的汽化室是外部有加热套的体积为l_2mL的金属容器。
[0013] 图2显示的是不同质量分数的Cu掺杂氧化钛的催化发光信号，随着Cu掺杂含量 的增多，化学发光信号值呈现先升高后降低的趋势，这一趋势与表1所示Cu掺杂氧化钛样 品中氧空位的含量的变化趋势是一致的；图3显示的是Cu，Fe，Co，Cr四种金属离子掺杂的 氧化钛的催化发光信号，其中Cu/Ti02发光信号最高，依次为Co/TiO2,Fe/Ti02,Cr/Ti02;图 4显示的是氢气气氛下不同温度焙烧处理后的氧化钛样品的化学发光信号，化学发光信号 强度随着焙烧温度的升高呈现增大趋势。
[0014] 本发明的有益效果是：采用乙醚作为分子探针来快速评价氧化钛中氧空位的方 法，这种方法简便、快捷，同时设备简单、成本低、反应时间短，可广泛应用于氧化钛中氧空 位的评价。
【附图说明】
[0015] 图1氧化钛催化剂中氧空位评价的反应装置图。
[0016] 1为空气泵，2为气化室，3为化学发光分析仪，4为电脑，5为石英管，6为陶瓷加热 棒，7为变压器。
[0017] 图2实施例1中氧化钛中Cu掺杂量与催化发光信号的对应图。
[0018] 图3实施例2中氧化钛中掺杂的金属离子与催化发光信号的对应图。
[0019] 图4实施例3中氧化钛在氢气中的焙烧温度与催化发光信号的对应图。
【具体实施方式】[0020] 实施例1
[0021] 采用图1所述实验装置。
[0022