一种高比表面积低能隙碳掺杂二氧化钛粉体及其制备方法与流程

本发明涉及一种高比表面积、低能隙碳掺杂TiO₂粉体及其制备方法，特别是指一种溶剂热法制备高比表面积、低能隙碳掺杂的TiO₂粉体，及其在可见光下降解水中污染物的应用。此材料具有良好的吸附性能，可见光催化降解性能，制备工艺操作简单、安全简便。

背景技术：

随着全球经济的快速发展，地球上人口激增，环境和能源面临严重的挑战，成为亟待解决的问题。太阳能是一种清洁可持续的能源。开发新型、具有良好光学性能的新型环保材料具有非常重要的意义。

TiO₂属于无机半导体材料，带隙能为3.2eV，对紫外光有良好的吸收，化学性质无毒稳定，应用范围包括光催化、染料敏化光伏电池及光催化裂解水制氢等领域。

然而TiO₂在实际应用中还存在很多问题。由于TiO₂带隙能高(3.2eV)导致了其只能吸收紫外光，而紫外光只占太阳能的不到5％，太阳能利用率低。此外一般TiO₂粉体比表面积低，光催化中较少的表面提供较少的活性点，降低了催化效率。碳掺杂能够有效的降低纳米TiO₂带隙能，改善可见光吸收性能，提高太阳能利用率。然而，以往的掺杂方法主要用到氢气、甲烷等可燃气体，高温(400-600℃)高压下加热将碳掺杂进TiO₂，这种方法不仅危险，碳掺杂量低，可见光吸收性能改善效果有限。

因此如何设计一种制备方法，一方面能够安全简便，避免需要高温高压条件和使用可燃气体；另一方面制备出的TiO₂带隙能够低，比表面积高，化学性质稳定有着重要的意义。

技术实现要素：

本发明在于提供一种制备高比表面积、低能隙碳掺杂TiO₂的制备方法及其在光催化污水处理中的应用。

为实现上述目的现采用如下技术方案：

利用TiCl₃溶液在异丙醇中稳定存在，搅拌时在空气中缓慢氧化，转移到反应釜加热后，在溶剂热条件下与葡萄糖发生反应，反应过程中碳掺杂进TiO₂中并发生部分还原形成氧空缺，从而导致了TiO₂的带隙能降低，可见光吸收性能改善同时得到的TiO₂的比表面积较高。

一种制备高比表面积低能隙碳掺杂TiO₂的制备，其特征在于采用以下步骤：

(1)在异丙醇中加入葡萄糖搅拌均匀得到溶液1。

(2)往溶液1中加入TiCl₃溶液，敞口搅拌直至溶液1成无色。

(3)将搅拌好的无色溶液加入到反应釜中加热。

(4)将反应好的样品离心洗涤，干燥研磨即可得到样品。

步骤(1)中，每升异丙醇中加入9g葡萄糖。

步骤(2)中的TiCl₃溶液和步骤(1)中异丙醇的体积比为1：30；TiCl₃溶液的质量浓度为15％。

步骤(3)中的加热温度为180℃，时间为6h。

步骤(4)中的离心清洗过程为先用乙醇清洗2次，再用去离子水清洗2次，离心速率10000rpm，时间10min。

所述碳掺杂TiO₂粉体用于水中目标污染物的可见光催化降解。

目标污染物为罗丹明B。

本发明具有如下优点：本发明制备方法采用的是溶剂热法，一方面实验条件安全，避免使用危险气体和高温高压条件；另一方实验步骤简单，一步完成，避免了反复多次操作减少出现误差的可能性。本发明制备的一种高比表面积低能隙碳掺杂TiO₂粉体，经过氮气吸附实验计算发现比表面积大(241.908m²/g)，孔容积大(0.1468cm³/g)，孔径大(15.261nm)，见图1。碳掺杂后TiO₂的可见光吸收性能明显改善(图2)，对可见光吸收相对于纯TiO2的0％提升到60％以上，带隙能降低为1.55eV(图3)；碳元素含量为39.5％(图4)。

附图说明

图1为实施例1氮气吸附脱附等温曲线。

图2为实施例1制备TiO₂粉体的固体紫外可见光光谱。

图3为根据Kubelka-Munk公式计算出实施例1制备TiO₂粉体的带隙能图。

图4为实施例1制备出TiO₂粉体元素含量分布图。

图5为实施例2方法得到的光催化曲线。

具体实施方式

一种高比表面积、低能隙碳掺杂TiO₂，其特征在于采用以下步骤：

(1)在异丙醇中加入葡萄糖搅拌均匀。

(2)往葡萄糖异丙醇溶液中加入TiCl₃溶液，敞口搅拌直至溶液成无色。

(3)将搅拌好的无色溶液加入到反应釜中加热。

(4)将反应好的样品离心洗涤，干燥研磨即可得到样品。

步骤(1)中的葡萄糖浓度为9.00g/L。

步骤(2)中的TiCl₃溶液和步骤(1)中异丙醇的体积比例为1：30。

步骤(3)中的加热温度为180℃，时间为6h。

步骤(4)中的离心清洗过程为先用乙醇清洗2次，在用去离子水清洗2次，离心速率10000rpm，时间10min。

将上述制备方法制得的碳掺杂TiO₂粉体用于水中罗丹明B的紫外光光催化降解。

下面例举实施例子制备碳掺杂TiO₂粉体。

实施例1：高比表面积、低能隙碳掺杂TiO₂

烧杯中量取异丙醇30毫升，称量葡萄糖粉末0.27g，磁力搅拌。用移液管移取TiCl₃溶液1mL，加入到上述溶液中磁力搅拌，直至溶液由紫色变为无色，时间为30min，再将溶液倒入反应釜中，然后加热，加热温度为180℃，时间为6h。反应完成后，离心洗涤，先用乙醇清洗2次，在用水洗2次，离心速度为10000rpm，时间为10min。最后烘箱中60℃干燥，研磨即得到样品。

按实施例1制备的样品，经氮气吸附脱附检测后测得其比表面积、孔容积和孔径分别为241.908m²/g，0.1468cm³/g和15.261nm，见图1。同时固体紫外可见光谱显示施例1制备的样品吸收范围为200-800nm，根据Kubelka-Munk公式计算出实施例1制备样品的带隙能为1.55eV，见图2和图3。碳元素含量为39.5％(图4)。

实施例2：碳掺杂TiO₂粉体在可见光下降解罗丹明B

按实施例1方法制备的碳掺杂TiO₂粉体进行降解罗丹明B的实验，罗丹明B溶液的浓度是1×10^-5mol L^-1；取碳掺杂TiO₂粉体50mg，置于100mL上述罗丹明B溶液中，在暗室中搅拌30分钟，然后将溶液置于紫外光被过滤掉的可见光源中，每10分钟取4mL罗丹明B溶液，用紫外-可见分光光度计测出溶液中罗丹明B的特征峰值。

按实施例2得到碳掺杂TiO₂粉体紫外光降解罗丹明B的降解曲线，图5为施例1制备得到碳掺杂TiO₂粉体的可见光催化曲线，图5可以看出施例1制备的碳掺杂TiO₂粉体在可见光照60min后催化降解达到90％以上。