专利名称：在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明属于光催化剂材料制备技术范围，特别涉及一种在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜及其制备方法。
背景技术：
TiO2纳米薄膜是一种重要的功能材料，在光催化降解方面有着诱人的应用前景，以溶胶-凝胶法为基础的TiO2薄膜制备方法是目前运用较多的二氧化钛薄膜制备方法。但利用这样的制备方法制得的TiO2薄膜材料的催化降解性能需要在紫外光照射下才能够较好的表现出来，这给实际应用带来了很大的困难。而且由于TiO2薄膜制备过程中所需要的热处理温度比较高(500℃以上)，这既浪费了大量的能源，又限制了TiO2薄膜在软化温度较低的玻璃基体上的应用。在公开号CN1312337A，名称为《TiO2溶胶-凝胶涂料及其制备方法和应用》的专利申请中，公开了一种TiO2溶胶-凝胶涂料及其制备方法和应用，该溶胶的主要成分包含钛酸脂或钛酸盐3％-50％、乙醇胺类化合物1％-20％、水1％-20％，经混合制得溶胶及该溶胶在基体表面形成的纳米级TiO2膜。该发明所制得的薄膜材料热处理温度为450-550℃。
本发明的目的是提供一种在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜及其制备方法。本发明的技术构思是这样的通过溶胶-凝胶法在TiO2溶胶中加入锂盐和锑盐，在低温热处理条件下，获得在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜，其二氧化钛薄膜的组成成分为(重量百分比)钛酸脂 10％-30％醇类溶剂 40％-60％稳定剂 10％-30％水 5％-20％酸类催化剂 1％-5％
锂盐 0.5-5％锑盐 0.5-3％所述钛酸脂为钛酸四丁酯、钛酸异丙酯或钛酸乙酯。
所述醇类溶剂为乙醇、丙醇或异丙醇。
所述稳定剂为乙酰丙酮或三乙醇胺。
所述酸类催化剂为盐酸、醋酸或硝酸。
所述锂盐为硝酸锂或氯化锂。
所述锑盐为硝酸锑或氯化锑。
高催化活性的二氧化钛薄膜制备方法的步骤(1)按照重量百分比将10％-30％钛酸酯、40％-60％醇类溶剂、10％-30％稳定剂和1％-5％酸类催化剂倒入反应器具中，在室温下搅拌0.5-1小时；(2)将重量百分比5％-20％水边搅拌边倒入步骤(1)制得的溶液中，在室温下搅拌1-2小时；(3)将重量百分比0.5-5％锂盐和0.5-3％锑盐加入到步骤(2)制得的溶胶中，继续搅拌2-4小时；(4)将溶胶加入到涂膜设备中，给基体表面涂膜；(5)将涂膜后的基体进行热处理，热处理温度为300-400℃，自然冷却到室温，即制得在可见光照射下就具有较高光催化活性的TiO2薄膜。
本发明的有益效果是采用含有锂盐和锑盐的溶胶制备出的TiO2薄膜材料，降低二氧化钛膜的晶型转变温度，获得在可见光(自然光)照射下对甲基橙分解效率高达32％～67％高催化降解效率的特性；提供一种能够在较低热处理温度下制备出高光催化活性的TiO2薄膜材料的方法。
具体实施例方式
本发明提供一种在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜及其制备方法。本发明的技术构思是这样的根据半导体缺陷理论，Sb离子的加入，可以改变TiO2相应的能级结构，使之能够在可见光范围内的扩展程度和吸收强度都得到加强。而通过溶胶-凝胶法在TiO2溶胶中加入LiNO3的方法，可以降低TiO2膜从无定型到锐钛矿相的晶型转变温度，并在低温热处理条件下，获得致密度较高的锐钛矿相的TiO2薄膜。因此，同时将Sb、Li离子掺入TiO2溶胶后，可以在较低的热处理温度下，获得光催化性能较高的TiO2薄膜。
高催化活性的二氧化钛薄膜的组成成组分(重量百分比)钛酸脂10％-30％醇类溶剂 40％-60％稳定剂10％-30％水5％-20％酸类催化剂1％-5％锂盐 0.5-5％锑盐 0.5-3％所述钛酸脂为钛酸四丁酯、钛酸异丙酯或钛酸乙酯。
所述醇类溶剂为乙醇、丙醇或异丙醇。
所述稳定剂为乙酰丙酮或三乙醇胺。
所述酸类催化剂为盐酸、醋酸或硝酸。
所述锂盐为硝酸锂或氯化锂。
所述锑盐为硝酸锑或氯化锑。
高催化活性的二氧化钛薄膜制备方法的步骤(1)按照重量百分比将10％-30％钛酸酯、40％-60％醇类溶剂、10％-30％稳定剂和1％-5％酸类催化剂倒入反应器具中，在室温下搅拌0.5-1小时；(2)将重量百分比5％-20％水边搅拌边倒入步骤(1)制得的溶液中，在室温下搅拌1-2小时；(3)将重量百分比0.5-5％锂盐和0.5-3％锑盐加入到步骤(2)制得的溶胶中，继续搅拌2-4小时；
(4)将溶胶加入到涂膜设备中，给基体表面涂膜；(5)将涂膜后的基体进行热处理，热处理温度为300-400℃，自然冷却到室温，即制得在可见光照射下就具有较高光催化活性的TiO薄膜。
优选的TiO2溶胶组分的重量百分比含量为钛酸脂 15％-20％醇类溶剂 40％-50％稳定剂 15％-20％水 10％-20％酸类催化剂 1％-3％锂盐 1％-3％锑盐 1％-2％下面再举具体实施例对本发明予以进一步说明。
实施例1(1)将54％乙醇、15％钛酸四丁酯、15％乙酰丙酮和1％盐酸倒入反应器具中，在室温下搅拌0.5-1小时；(2)将15％水慢慢倒入步骤(1)制得的溶液中，在室温下搅拌1-2小时；(3)将溶胶加入到涂膜设备中，将待涂膜玻璃表面清洗干净，放入涂膜设备中涂膜，涂膜一般可以采取提拉法、旋转法等，将涂膜后的玻璃进行热处理，热处理温度为350℃，自然冷却到室温，即制得TiO2薄膜。
实施例2(1)TiO2溶胶制备按重量百分比取钛酸异丙酯15％、乙酰丙酮15％、丙醇50％、水15％和盐酸1％，同实施例1中的步骤(1)、步骤(2)制备；(2)将硝酸锂2％和氯化锑2％加入到步骤(1)制得的溶胶中，继续搅拌2-4小时；(3)涂膜同实施例1。
实施例3取重量百分比为钛酸四丁酯15％、乙酰丙酮15％、乙醇52％、水15％、盐酸1％和硝酸锂2％按同实施例2中的步骤制备。
实施例4取重量百分比为钛酸四丁酯15％、乙酰丙酮15％、乙醇52％、水15％、盐酸1％、硝酸锑2％按同实施例2中的步骤制备。
实施例5取重量百分比为钛酸异丙酯13％、乙酰丙酮13％、异丙醇56％、水13％、醋酸2％和氯化锂1％、氯化锑2％按同实施例2中的步骤制备。
实施例6取重量百分比为钛酸乙酯18％、三乙醇胺18％、丙醇40％、水18％、硝酸2％和氯化锂2％、氯化锑2％按同实施例2中的步骤制备。
将实施例1、2、3、4得到的样品分别编号为1#，2#，3#，4#，对薄膜进行X射线衍射分析及拉曼光谱分析，结果显示，1#样品的二氧化钛膜主要为无定型相；2#样品的二氧化钛膜主要为锐钛矿相；3#样品的二氧化钛膜主要为锐钛矿相；4#样品的二氧化钛膜主要为无定型相。以上表明，加入硝酸锂能够降低二氧化钛膜的晶型转变温度。
为了检验膜的光催化降解性能，本发明选用甲基橙作为光催化降解对象。对四种样品分别进行光催化降解性能测试，测试仪器使用HP8452A型紫外可见光分光光度计。将10*20mm样品浸到10ml浓度为20mg/L的甲基橙水溶液的试管中，将试管分别放在自然光下照射2小时，其间用气泵向溶液中通入空气，其流量为200ml/min，测定甲基橙浓度变化，计算出分解效率，结果表明(见下表1)，加入锂离子和锑离子的二氧化钛膜在可见光(自然光)照射下就可以体现出催化降解效率高的性能。
表1甲基橙分解效率对照表
权利要求
1.一种在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜，其特征在于通过溶胶-凝胶法在TiO2溶胶中加入锂盐和锑盐，在低温热处理条件下，获得在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜，其二氧化钛薄膜的组成成分为(重量百分比)钛酸脂10％-30％醇类溶剂 40％-60％稳定剂10％-30％水5％-20％酸类催化剂1％-5％锂盐 0.5-5％锑盐 0.5-3％
2.根据权利要求1所述在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜，其特征在于所述钛酸脂为钛酸四丁酯、钛酸异丙酯或钛酸乙酯。
3.根据权利要求1所述在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜，其特征在于所述醇类溶剂为乙醇、丙醇或异丙醇。
4.根据权利要求1所述在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜，其特征在于所述稳定剂为乙酰丙酮或三乙醇胺。
5.根据权利要求1所述在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜，其特征在于所述酸类催化剂为盐酸、醋酸或硝酸。
6.根据权利要求1所述在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜，其特征在于所述锂盐为硝酸锂、氯化锂。
7.根据权利要求1所述在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜，其特征在于所述锑盐为硝酸锑、氯化锑。
8.一种在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜制备方法，其特征在于所述高催化活性的二氧化钛薄膜制备方法的步骤为(1)按照重量百分比将10％-30％钛酸酯、40％-60％醇类溶剂、10％-30％稳定剂和1％-5％酸类催化剂倒入反应器具中，在室温下搅拌0.5-1小时；(2)将5％-20％水边搅拌边倒入步骤(1)制得的溶液中，在室温下搅拌1-2小时；(3)将0.5-5％锂盐和0.5-3％锑盐加入到步骤(2)制得的溶胶中，继续搅拌2-4小时；(4)将溶胶加入到涂膜设备中，给基体表面涂膜；(5)将涂膜后的基体进行热处理，热处理温度为300-400℃，自然冷却到室温，即制得在可见光照射下就具有较高光催化活性的TiO2薄膜。
全文摘要
本发明公开了属于光催化剂材料制备技术范围的一种在可见光下具有高催化活性的二氧化钛薄膜及其制备方法。通过溶胶－凝胶法在TiO
文档编号B01J37/00GK1563490SQ200410033800
公开日2005年1月12日 申请日期2004年4月20日 优先权日2004年4月20日
发明者梁开明, 周锋, 王国梁 申请人:清华大学