一种二氧化钛异质结光阳极的制备方法及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种二氧化钛异质结光阳极的制备方法及其应用，该方法包括以下步骤：(1)对掺氟二氧化锡导电玻璃去除表面油脂粉尘；(2)将经步骤(1)处理的掺氟二氧化锡导电玻璃加入水热溶液中进行水热处理，得到金红石相二氧化钛纳米棒；(3)将金红石相二氧化钛纳米棒加入溶剂热溶液中进行溶剂热处理，然后用无水乙醇冲洗，晾干，并退火热处理后，得到二氧化钛异质结光阳极；以二氧化钛异质结光阳极作为光阳极，采用三电极体系，利用模拟太阳光氧化降解有机废水。与现有技术相比，本发明制得的二氧化钛异质结光阳极为纳米阵列，具有高度分布的异质结构、较高的比表面积、较大的活性晶面暴露、较强的太阳光光电催化活性。
【专利说明】一种二氧化钛异质结光阳极的制备方法及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料化学领域，尤其是涉及一种二氧化钛异质结光阳极的制备方法及其应用。
【背景技术】[0002]光电催化氧化技术属于高级氧化技术，是一种能够有效处理环境污染物废水的方法。它具有反应条件温和，氧化能力强，无二次污染等显著优点。近年来，光电催化氧化得到了科学家的广泛关注与研究，是未来绿色处理环境问题的发展趋势。多种催化剂已经成为了这一方面的研究重点。其中，二氧化钛由于具有良好的生物兼容性，光催化活性，光化学稳定性，以及制备工艺简单，受到了较高的关注。对于二氧化钛性能的改进提高也在不断的研究之中。这些研究大多集中在提高催化剂的催化位点。催化位点的受到粒子尺寸、暴露的晶面、分散程度等条件的制约。一些纳米支架的引入可以显著改善纳米催化剂的分散性，例如纳米棒。而近来关于活性晶面的研究也进一步推升了催化活性的提高，例如{001}晶面锐钛矿相二氧化钛。因而，如果能够结合上述的考量，二氧化钛的光催化氧化能力将得到显著的促进。另一方面的研究重点是拓展二氧化钛的光吸收范围。二氧化钛是一种典型的宽带半导体(Eg = 3.22eV)，只能吸收太阳光中波长小于385nm的紫外光，很大程度上限制了二氧化钛的实际应用。纳米结构以及能带匹配理论经常被用于解释一部分可见光吸收增强的现象。纳米结构，特别是有序的纳米结构，由于能够让光在纳米孔道之间形成多次反射造成吸收的增加。而能带的匹配则能促进光生电子与空穴的分离转移，光能量得到有效的转换，从而利用到更多的辐照光能。在二氧化钛的典型晶型之中，锐钛矿相与金红石相由于钛氧原子在晶胞内排列的方式不同，因而它们的导带与价带存在差异。这种差异能够使光生电子与空穴在这一复合体系中发生分离，从而延长了光生载流子的寿命与浓度。
[0003]因此，本发明采用溶剂热方法，以金红石相二氧化钛纳米棒阵列为基底，在异丙醇钛/异丙醇混合液中得到二氧化钛异质结光阳极。得到的纳米阵列不仅具有较高的比表面积和较大的活性晶面，而且吸收光范围得到进一步扩展。这种二氧化钛异质结纳米阵列光阳极可用于有机污染物废水的太阳光光电催化降解，具有良好的应用前景。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有高度分布的异质结构、较高的比表面积、较大的活性晶面暴露、较强的太阳光光电催化活性的二氧化钛异质结光阳极的制备方法及其应用。
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]一种二氧化钛异质结光阳极的制备方法，该方法包括以下步骤:
[0007](I)对掺氟二氧化锡导电玻璃分别用丙酮、乙醇、蒸馏水超声清洗，去除表面油脂粉尘，晾干；
[0008](2)将经步骤(1)处理的掺氟二氧化锡导电玻璃加入水热溶液中进行水热处理，并用蒸馏水冲洗，晾干，得到金红石相二氧化钛纳米棒；
[0009](3)将金红石相二氧化钛纳米棒加入溶剂热溶液中进行溶剂热处理，然后用无水乙醇冲洗，晾干，并退火热处理后，得到二氧化钛异质结光阳极。
[0010]步骤(2)所述的水热溶液为钛酸四丁酯、浓盐酸及蒸馏水的混合溶液，其中，钛酸四丁酯、浓盐酸及蒸馏水的体积比为(0.5~I): (20~25): (20~25)。
[0011]步骤⑵所述的水热处理的条件为?在温度为180~200°C下水热反应8~10h。
[0012]步骤(3)所述的溶剂热溶液为异丙醇钛、二乙撑三胺及异丙醇的混合溶液，其中，异丙醇钛、二乙撑三胺及异丙醇的体积比为(0.3~0.5): (0.3~0.5): (20~25)。
[0013]步骤(3)所述的溶剂热处理的条件为:在温度为180~200°C下进行溶剂热反应12 ~24h。
[0014]步骤(1)、步骤(2)或步骤(3)所述的晾干均为在空气条件下晾干。
[0015]步骤(3)所述的退火热处理的过程为:以I~2°C /min升温速率由室温升至350~450°C并恒温I~3h。
[0016]利用上述方法制得的二氧化钛异质结光阳极为纳米阵列，具有高度分布的异质结构、较高的比表面积、较大的活性晶面暴露、较强的太阳光光电催化活性。
[0017]一种二氧化钛异质结光阳极的应用，以二氧化钛异质结光阳极作为光阳极，采用三电极体系，利用模拟太阳光氧化降解有机废水。
[0018]以步骤(3)所得到的二氧化钛异质结光阳极为工作电极，钼片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，电解质采用0.lmol/L硫酸钠，外加磁力搅拌，并采用循环水冷却体系，保持降解体系温度在20°C。在三电极体系中施加偏压+0.2~+0.6V，所述的模拟太阳光的光照强度为10~20mW/cm2。
[0019]所述的有机废水为浓度为10~20mg/L的双酚A废水。
[0020]与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果:
[0021](I)与已有的纳米二氧化钛电极相比，由于采用金红石相二氧化钛纳米棒为基底，实现了锐钛矿相二氧化钛的高度分散生长，得到了高度有序的纳米阵列结构，并且具有较高比表面积。
[0022](2)与一般的锐钛矿相二氧化钛相比，由于纳米棒上生长得到的为活性较高的{001}晶面锐钛矿材料，暴露了更多的活性晶面，提升了催化剂的催化活性位点，使得氧化降解能力更强。
[0023](3)与传统的金红石/锐钛矿混合相二氧化钛相比，由于采用二次溶剂热方法，使得纳米材料的异质结结构更加有序，光生电子和空穴的分离更加高效。
[0024](4)通过对溶剂热的条件参数进行控制可以制备出晶面可控的纳米阵列，结构的可调整性增加了二氧化钛异质结光阳极的使用范围。
[0025](5)本发明制备的二氧化钛异质结光阳极能够利用太阳光光电降解有机废水，降低了污染物的处理成本，具有较好的经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为实施例1制备的二氧化钛异质结光阳极的扫描电镜照片；
[0027]图2为实施例1制备的二氧化钛异质结光阳极及金红石相二氧化钛纳米棒的X射线衍射谱；
[0028]图3为实施例1制备的二氧化钛异质结光阳极的氮气吸附脱附曲线；
[0029]图4为实施例1制备的二氧化钛异质结光阳极的孔径分布曲线；
[0030]图5为实施例1中制备的二氧化钛异质结光阳极的紫外可见漫反射图谱；
[0031]图6为实施例1中制备的二氧化钛异质结光阳极的Kubelka-Munk函数图；
[0032]图7为实施例2中二氧化钛异质结光阳极降解有机污染物废水过程中双酚A的相对浓度随时间的变化曲线；
[0033]图8为实施例2中二氧化钛异质结光阳极降解有机污染物废水过程的动力学模拟。
[0034]图中，A为锐钛矿相二氧化钛；B为锐钛矿相/金红石相二氧化钛；C为二氧化钛异质结光阳极。
【具体实施方式】 [0035]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0036]实施例1
[0037]二氧化钛异质结光阳极的制备过程及其表征，具体步骤如下:
[0038]将30X10X2.2mm规格的掺氟二氧化锡导电玻璃分别用丙酮、乙醇、蒸馏水超声清洗，去除表面油脂粉尘。晾干后，掺氟二氧化锡导电玻璃加入水热溶液中180°C下水热8h。水热溶液采用钛酸四丁酯盐酸溶液,将ImL钛酸四丁酯加入25mL浓盐酸与25mL蒸馏水的混合液中，磁力搅拌至澄清。反应后，电极用蒸馏水冲洗，空气条件下晾干。然后，将电极置于异丙醇钛的异丙醇溶液中，200°C溶剂热24h。溶剂热溶液采用异丙醇钛/异丙醇溶液，将0.3mL异丙醇钛与0.3mL 二乙撑三胺加入21mL异丙醇中，磁力搅拌至澄清。反应后，电极用无水乙醇冲洗，空气条件下晾干，在氧气中400°C退火热处理，得到二氧化钛异质结光阳极。采用场发射环境扫描电子显微镜(FE-SEM)对电极的形貌进行表征，结果见图1，表明纳米分支的直径约为160nm，表面分布有边长约80nm的纳米薄片。用X射线衍射仪(XRD)测定了二氧化钛异质结光阳极表面物质的晶相结构，见图2上面的曲线，表明表面物质为锐钛矿/金红石混合相结构，为图2下面的曲线。
[0039]用氮气吸附脱附方法测定了二氧化钛异质结光阳极表面物质的比表面积及孔径分布，结果见图3及图4,图3中，Adsorption为吸附曲线，Desorption为脱附曲线。图4表示二氧化钛异质结光阳极的孔径分布曲线。
[0040]本实施例制备的二氧化钛异质结光阳极的紫外可见漫反射图谱如图5所示，本实施例制备的二氧化钛异质结光阳极的Kubelka-Munk函数图如图6所示。图中，A为锐钛矿相二氧化钛为锐钛矿相/金红石相二氧化钛；C为二氧化钛异质结光阳极。
[0041]实施例2
[0042]采用二氧化钛异质结光阳极进行模拟太阳光光电催化降解有机污染物废水双酚A，具体步骤如下:
[0043]双酚A的降解实验在IOOmL的烧杯中进行。采用三电极降解体系，以二氧化钛异质结纳米阵列为工作电极，有效的光阳极面积为3cm2，钼片为对电极，饱和甘汞为参比电极。用0.lmol/L硫酸钠去离子水溶液将双酚A配制为浓度为20mg/L的模拟废水，处理体积为lOOmL。以模拟太阳光作为光源，光照强度为lOmW/cm2。施加偏压+0.4V (相对于饱和甘汞电极)。外加磁力搅拌，并采用循环水冷却体系，保持降解体系温度在20°C。
[0044]二氧化钛异质结光阳极模拟太阳光光电降解有机污染物废水过程中双酚A的相对浓度随时间的变化曲线如图7所示，二氧化钛异质结光阳极降解有机污染物废水过程的动力学模拟如图8所示，图中，A为锐钛矿相二氧化钛；B为锐钛矿相/金红石相二氧化钛；C为二氧化钛异质结光阳极。
[0045]测试表明，二氧化钛异质结光阳极的催化降解能力远高于锐钛矿相二氧化钛电极以及锐钛矿/金红石二氧化钛电极，在240min时前者的降解率约为80%，而相同条件下，另两者对双酚A的降解率小于35%。光电催化氧化降解过程中双酚A的去除反应遵循一级反应动力学过程。
[0046]实施例3
[0047]一种二氧化钛异质结光阳极的制备方法，该方法包括以下步骤:
[0048](I)对掺氟二氧化锡导电玻璃分别用丙酮、乙醇、蒸馏水超声清洗，去除表面油脂粉尘，晾干；
[0049](2)将经步骤(1)处理的掺氟二氧化锡导电玻璃加入水热溶液中进行水热处理，并用蒸馏水冲洗，晾干，得到金红石相二氧化钛纳米棒；
[0050](3)将金红石相二氧化钛纳米棒加入溶剂热溶液中进行溶剂热处理，然后用无水乙醇冲洗，晾干，并退火热处理后，得到二氧化钛异质结光阳极。
[0051]其中，步骤(2)水热溶液为钛酸四丁酯、浓盐酸及蒸馏水的混合溶液，其中，钛酸四丁酯、浓盐酸及蒸馏水的体积比为0.5: 20: 20。步骤(2)水热处理的条件为:在温度为180°C下水热反应IOh。
[0052]步骤(3)溶剂热溶液为异丙醇钛、二乙撑三胺及异丙醇的混合溶液，其中，异丙醇钛、二乙撑三胺及异丙醇的体积比为0.3: 0.3: 20。步骤(3)溶剂热处理的条件为:在温度为180°C下进行溶剂热反应24h。
[0053]步骤(1)、步骤(2)或步骤(3)晾干均为在空气条件下晾干。
[0054]步骤(3)退火热处理的过程为:以1°C /min升温速率由室温升至350°C并恒温3h。
[0055]利用上述方法制得的二氧化钛异质结光阳极为纳米阵列，具有高度分布的异质结构、较高的比表面积、较大的活性晶面暴露、较强的太阳光光电催化活性。
[0056]一种二氧化钛异质结光阳极的应用，以二氧化钛异质结光阳极作为光阳极，采用三电极体系，钼片为对电极，饱和甘汞为参比电极，在三电极体系中施加偏压+0.2V，利用模拟太阳光，光照强度为10mW/cm2。氧化降解浓度为10mg/L的双酹A废水。外加磁力搅拌，并采用循环水冷却体系，保持降解体系温度在20°C。
[0057]实施例4
[0058]一种二氧化钛异质结光阳极的制备方法，该方法包括以下步骤:
[0059](I)对掺氟二氧化锡导电玻璃分别用丙酮、乙醇、蒸馏水超声清洗，去除表面油脂粉尘，晾干；
[0060](2)将经步骤(1)处理的掺氟二氧化锡导电玻璃加入水热溶液中进行水热处理，并用蒸馏水冲洗，晾干，得到金红石相二氧化钛纳米棒；
[0061](3)将金红石相二氧化钛纳米棒加入溶剂热溶液中进行溶剂热处理，然后用无水乙醇冲洗，晾干，并退火热处理后，得到二氧化钛异质结光阳极。
[0062]其中，步骤(2)水热溶液为钛酸四丁酯、浓盐酸及蒸馏水的混合溶液，其中，钛酸四丁酯、浓盐酸及蒸馏水的体积比为0.8: 23: 23。步骤(2)水热处理的条件为:在温度为190°C下水热反应9h。
[0063]步骤(3)溶剂热溶液为异丙醇钛、二乙撑三胺及异丙醇的混合溶液，其中，异丙醇钛、二乙撑三胺及异丙醇的体积比为0.4: 0.4: 22。步骤(3)溶剂热处理的条件为:在温度为190°C下进行溶剂热反应18h。
[0064]步骤(1)、步骤(2)或步骤(3)晾干均为在空气条件下晾干。
[0065]步骤(3)退火热处理的过程为:以1.50C /min升温速率由室温升至400°C并恒温2h。
[0066]利用上述方法制得的二氧化钛异质结光阳极为纳米阵列，具有高度分布的异质结构、较高的比表面积、较大的活性晶面暴露、较强的太阳光光电催化活性。
[0067]一种二氧化钛 异质结光阳极的应用，以二氧化钛异质结光阳极作为光阳极，钼片为对电极，饱和甘汞为参比电极，采用三电极体系，在三电极体系中施加偏压+0.4V，利用太阳光，太阳光的光照强度为15mW/cm2，氧化降解浓度为15mg/L的双酚A废水。外加磁力搅拌，并采用循环水冷却体系，保持降解体系温度在20°C。
[0068]实施例5
[0069]一种二氧化钛异质结光阳极的制备方法，该方法包括以下步骤:
[0070](I)对掺氟二氧化锡导电玻璃分别用丙酮、乙醇、蒸馏水超声清洗，去除表面油脂粉尘，晾干；
[0071](2)将经步骤(1)处理的掺氟二氧化锡导电玻璃加入水热溶液中进行水热处理，并用蒸馏水冲洗，晾干，得到金红石相二氧化钛纳米棒；
[0072](3)将金红石相二氧化钛纳米棒加入溶剂热溶液中进行溶剂热处理，然后用无水乙醇冲洗，晾干，并退火热处理后，得到二氧化钛异质结光阳极。
[0073]步骤(2)水热溶液为钛酸四丁酯、浓盐酸及蒸馏水的混合溶液，其中，钛酸四丁酯、浓盐酸及蒸馏水的体积比为1: 25: 25。步骤(2)水热处理的条件为:在温度为200°C下水热反应8h。
[0074]步骤(3)溶剂热溶液为异丙醇钛、二乙撑三胺及异丙醇的混合溶液，其中，异丙醇钛、二乙撑三胺及异丙醇的体积比为0.5: 0.5: 25。步骤(3)溶剂热处理的条件为:在温度为200°C下进行溶剂热反应12h。
[0075]步骤(1)、步骤(2)或步骤(3)晾干均为在空气条件下晾干。
[0076]步骤(3)退火热处理的过程为:以2°C/min升温速率由室温升至450°C并恒温lh。
[0077]利用上述方法制得的二氧化钛异质结光阳极为纳米阵列，具有高度分布的异质结构、较高的比表面积、较大的活性晶面暴露、较强的太阳光光电催化活性。
[0078]—种二氧化钛异质结光阳极的应用，以二氧化钛异质结光阳极作为光阳极，钼片为对电极，饱和甘汞为参比电极，采用三电极体系，在三电极体系中施加偏压+0.6V，利用太阳光，太阳光的光照强度为20mW/cm2，氧化降解浓度为20mg/L的双酚A废水。外加磁力搅拌，并采用循环水冷却体系，保持降解体系温度在20°C。
【权利要求】
1.一种二氧化钛异质结光阳极的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: (1)将掺氟二氧化锡导电玻璃去除表面油脂粉尘，晾干； (2)将经步骤(1)处理的掺氟二氧化锡导电玻璃加入水热溶液中进行水热处理，并冲洗，晾干，得到金红石相二氧化钛纳米棒； (3)将金红石相二氧化钛纳米棒加入溶剂热溶液中进行溶剂热处理，然后冲洗，晾干，并退火热处理后，得到二氧化钛异质结光阳极。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化钛异质结光阳极的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的水热溶液为钛酸四丁酯、浓盐酸及蒸馏水的混合溶液，其中，钛酸四丁酯、浓盐酸及蒸馏水的体积比为(0.5~1): (20~25): (20~25)。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化钛异质结光阳极的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的水热处理的条件为：在温度为180~200°C下水热反应8~10h。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化钛异质结光阳极的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的溶剂热溶液为异丙醇钛、二乙撑三胺及异丙醇的混合溶液，其中，异丙醇钛、二乙撑三胺及异丙醇的体积比为(0.3~0.5): (0.3~0.5): (20~25)。
5.根据权利要求1所述的一种二氧化钛异质结光阳极的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的溶剂热处理的条件为:在温度为180~200°C下进行溶剂热反应12~24h。
6.根据权利要求1所述的一种二氧化钛异质结光阳极的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的退火热处理的过程为:以1~2°C /min升温速率由室温升至350~450°C并恒温1~3h。
【文档编号】C03C17/23GK103922608SQ201310012822
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2013年1月14日 优先权日:2013年1月14日
【发明者】赵国华, 田弘毅, 曹同成, 张亚男 申请人:同济大学