专利名称：氮掺杂二氧化钛粉体的制备方法
技术领域：
本发明属于二氧化钛光催化技术领域，特别涉及具有可见光催化性能的氮掺杂二氧化钛粉体的制备方法。
背景技术：
氮掺杂二氧化钛由于在可见光有强的吸收效应，使其具有了一系列取代传统二氧化钛的功效。在降解污水和空气中多种污染物、自清洁技术、抗菌材料、防雾涂层以及太阳能转换等方面有着很好的应用前景。因此引起了人们的极大兴趣。但有关氮掺杂二氧化钛粉体的制备方法的报道并不多，在少量的报导中，如《科学》(Science Vol 293 2001 p.269-27)-文指出，由于氮掺杂过程时间长或操作要求高，造成成本高，同时可能会掺杂不均匀，且对环境造成一定的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有可见光催化性能的氮掺杂二氧化钛粉体的制备方法。
本发明用钛的化合物和氨水为原料，采用液相沉淀法来制备。将沉淀烘干，然后在一定温度煅烧，制备出氮掺杂黄色二氧化钛粉体。
本发明的具有可见光催化性能的氮掺杂二氧化钛粉体的制备方法将浓度为15～45wt％的氨水缓慢加入到浓度为25～50wt％的钛的化合物溶液中，强烈搅拌，形成沉淀，其中氨水与钛的化合物溶液的体积比为0.5～3.0；过滤，沉淀物经洗涤、干燥后在350-700度气氛下煅烧，制得氮掺杂二氧化钛粉体；二氧化钛粉体的平均粒径为100nm。
所述的钛的化合物可以是异丙醇钛、钛酸四丁酯、硫酸钛、三氯化钛、硝酸钛或四氯化钛等。氮含量可以通过氨水的用量来调节。粉体的粒径和晶形受步骤中热处理的温度影响，温度越高，粒径越大。随着温度的升高，晶形由无定形到锐钛矿型到金红石矿型。
本发明是用液相常规方法进行氮掺杂，可以使氮掺杂均匀，制备过程无环境污染，且成本低。
本发明制备的氮掺杂的二氧化钛粉体与传统二氧化钛粉体相比，在可见光区有优良的吸收。
图1.本发明实施例1、2和3的紫外可见吸收光谱图。
图2.本发明实施例1的X射线衍射图。
图3.本发明实施例2的X射线衍射图。
图4.本发明实施例3的X射线衍射图。
图5.本发明实施例1、2、3与未杂氮的二氧化钛的催化效率图。
具体实施例方式
下面结合本发明的较佳实施例进一步阐述本发明，但这些实施例不是对本发明的技术方案进行限制。
实施例1在100ml的锥形瓶中加入浓度为25wt％的20ml钛酸四丁酯溶液，由快到漫的加入浓度为25wt％的20ml氨水，产生白色沉淀，搅拌3小时，沉淀沉化24小时，沉淀经过洗涤后在80-120度烘箱中烘干，然后在500度的氮气气氛下煅烧，得到微黄的氮掺杂二氧化钛粉体。二氧化钛粉体的平均粒径为100nm。粉体性质见表-1其紫外可见吸收光谱见附图1-A。X射线衍射图见附图2实施例2在100ml的锥形瓶中加入浓度为25wt％的20ml硫酸钛溶液，由快到漫的加入浓度为25wt％的20ml氨水，产生白色沉淀，搅拌3小时，沉淀沉化24小时，沉淀经过洗涤后在80-120度烘箱中烘干，然后在500度的氮气气氛下煅烧，得到微黄的氮掺杂二氧化钛粉体。二氧化钛粉体的平均粒径为100nm。粉体性质见表-2。
其紫外可见吸收光谱见附图1-B。X射线衍射图见附图3。
实施例3在100ml的锥形瓶中加入浓度为50wt％的20ml三氯化钛溶液，由快到漫的加入浓度为25wt％的20ml氨水，产生白色沉淀，搅拌3小时，沉淀沉化24小时，沉淀经过洗涤后在80-120度烘箱中烘干，然后在500度的氮气气氛下煅烧，得到微黄的氮掺杂二氧化钛粉体。二氧化钛粉体的平均粒径为100nm。粉体性质见表-3。
其紫外可见吸收光谱见附图1-C。
X射线衍射图见附图4。
对比例1.1按照与实施例1中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了5ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-1。
对比例1.2按照与实施例1中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了10ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-1。
对比例1.3按照与实施例1中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了15ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-1。
对比例1.4按照与实施例1中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了25ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-1。
对比例1.5按照与实施例1中描述的相同的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了30ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-1。
对比例1.6按照与实施例1中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在350度气氛下煅烧。粉体性质见表-4。
对比例1.7按照与实施例1中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在400度气氛下煅烧。粉体性质见表-4。
对比例1.8按照与实施例1中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在550度气氛下煅烧。粉体性质见表-4。
对比例1.9按照与实施例1中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在600度气氛下煅烧。粉体性质见表-4。
对比例1.10按照与实施例1中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在700度气氛下煅烧。粉体性质见表-4。
对比例2.1按照与实施例2中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了5ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-2。
对比例2.2按照与实施例2中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了10ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-2。
对比例2.3按照与实施例2中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了15ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-2。
对比例2.4按照与实施例2中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了25ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-2。
对比例2.5按照与实施例2中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了30ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-2。
对比例2.6按照与实施例2中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在350度气氛下煅烧。粉体性质见表-5。
对比例2.7按照与实施例2中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在400度气氛下煅烧。粉体性质见表-5。
对比例2.8按照与实施例2中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在550度气氛下煅烧。粉体性质见表-5。
对比例2.9按照与实施例2中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在600度气氛下煅烧。粉体性质见表-5。
对比例2.10按照与实施例2中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在700度气氛下煅烧。粉体性质见表-5。
对比例3.1按照与实施例3中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了5ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-3。
对比例3.2按照与实施例3中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了10ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-3。
对比例3.3按照与实施例3中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了15ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-3。
对比例3.4按照与实施例3中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了25ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-3。
对比例3.5按照与实施例3中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是用了30ml氨水为沉淀剂。粉体性质见表-3对比例3.6按照与实施例3中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在350度气氛下煅烧。粉体性质见表-6对比例3.7按照与实施例3中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在400度气氛下煅烧。粉体性质见表-6。
对比例3.8按照与实施例3中描述的相同的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在550度气氛下煅烧。粉体性质见表-6。
对比例3.9按照与实施例3中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在600度气氛下煅烧。粉体性质见表-6。
对比例3.10按照与实施例3中描述的方法得到氮掺杂二氧化钛粉体。只是在700度气氛下煅烧。粉体性质见表-6。
表-1
表-2
表-3
表-4
表-5
表-6
1、由表-1可知，氨水的用量与沉淀前驱体的体积比约为1∶1时氮的含量最高，再提高氨水的用量对氮的含量没有很大的影响。
2、由表-2可知，氨水的用量与沉淀前驱体的体积比约为1∶1时氮的含量最高，再提高氨水的用量对氮的含量没有很大的影响。
3、由表-3可知，氨水的用量与沉淀前驱体的体积比约为1∶1时氮的含量最高，再提高氨水的用量对氮的含量没有很大的影响。
4、由表-4可知，经过对比例1.6～1.10的分析，仅仅在实施例1中得到了很好的X射线衍射图象。由图-2可知，在500度温度下，能够得到很好的锐钛矿晶。
5、由表-5可知，经过对比例2.6～2.10的分析，仅仅在实施例2中得到了很好的X射线衍射图象。由图-3可知，在500度温度下，能够得到很好的锐钛矿晶。
6、由表-6可知，经过对比例3.6～3.10的分析，仅仅在实施例3中得到了很好的X射线衍射图象。由图-4可知，在500度温度下，能够得到很好的锐钛矿晶。
7、由图-1可知，按照实施例1～3的方法，可以得到在可见区吸收很强的氮掺杂二氧化钛粉体。
光催化性能的测量对照商业上可以得到的常用光催化剂，测量由实施例1～3得到得氮掺杂二氧化钛粉末的光催化性能，用德国生产的PC-25作为催化剂A，实施例1中氮掺杂二氧化钛粉末为催化剂B，实施例2中氮掺杂二氧化钛粉末为催化剂C，实施例3中氮掺杂二氧化钛粉末为催化剂D。
检测原理为由于甲基兰的吸收波长为620nm，故用620nm的探测光照射负载有甲基兰的催化剂上面，开始时，甲基兰对探测光的吸收设为100％，经过可见光的照射后，甲基兰分解，浓度减少，对探测光的吸收减少，相对初始的吸收为负，可以用△ABS来表示测试间隔时间内甲基兰的分解的量。由△ABS/MIN来表示催化剂的催化性能。
对于实验中被测试的物质为1.0mM/L的甲基兰溶液，催化剂的使用为用10ml的硅溶胶和1g的催化剂相互混合，经过充分搅拌后，用2cm×2cm的ITO玻璃放入其中，2分钟后取出，室温干燥，用0.6ml的甲基兰溶液滴在干燥后的负载催化剂的ITO玻璃上面，放入暗处室温干燥，备用。
实验过程用经滤波片过滤后波长为440nm的可见光来作为检测光源，其能量为0.6mW/cm2，其催化效率如图-5。
由图-5所示，催化剂B～D的催化效果十分相似，并且相对于商业用催化剂APC-25在可见光区有很好的催化效果。
根据本发明用钛的化合物和氨水为原料，采用液相沉淀法来制备的氮掺杂二氧化钛粉体在可见光区域有很好的吸收和催化效果。
尽管已经参照其具体实施例对本发明进行了明确的说明，但对本领域的科技人员，在不脱离所附权利要求书中所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的形式和内容做出多种改变。
权利要求
1.一种氮掺杂二氧化钛粉体的制备方法，其特征是将浓度为15～45wt％的氨水缓慢加入到浓度为25～50wt％的钛的化合物溶液中，强烈搅拌，形成沉淀，其中氨水与钛的化合物溶液的体积比为0.5～3.0；过滤，沉淀物经洗涤、干燥后在350-700度气氛下煅烧，制得氮掺杂二氧化钛粉体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的钛的化合物是异丙醇钛、钛酸四丁酯、硫酸钛、三氯化钛、硝酸钛或四氯化钛。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的二氧化钛粉体的晶形是无定形、锐钛矿型或金红石矿型。
4.如权利要求1或3所述的方法，其特征是所述的二氧化钛粉体的平均粒径为100nm。
全文摘要
本发明属于二氧化钛光催化技术领域，特别涉及具有可见光催化性能的氮掺杂二氧化钛粉体的制备方法。将浓度为15～45wt％的氨水缓慢加入到浓度为25～50wt％的钛的化合物溶液中，强烈搅拌，形成沉淀，其中氨水与钛的化合物溶液的体积比为0.5～3.0；过滤，沉淀物经洗涤、干燥后在350－700度气氛下煅烧，制得氮掺杂二氧化钛粉体。二氧化钛粉体的平均粒径为100nm。本发明是用液相常规方法进行氮掺杂，可以使氮掺杂均匀，制备过程无环境污染，且成本低。本发明制备的氮掺杂的二氧化钛粉体与传统二氧化钛粉体相比，在可见光区有优良的吸收。
文档编号B01J21/06GK1506154SQ0215520
公开日2004年6月23日 申请日期2002年12月6日 优先权日2002年12月6日
发明者封心建, 翟锦, 江雷 申请人:中国科学院化学研究所