一种二氧化钛体‑表两相缺陷的优化方法与流程

本发明涉及光催化技术领域，尤其是涉及一种可提高光电转化效率的二氧化钛体-表两相缺陷的优化方法。

背景技术：

VOCs(挥发性有机污染物，Volatile Organic Compounds)能与大气中氮氧化合物反应形成光化学烟雾，并伴随着异味，且是雾霾的前体物质，具有“三致”效应，严重影响人体健康。而光催化氧化技术作为一种能耗低、绿色环保的VOCs治理技术，其中以二氧化钛为代表的光催化剂以稳定性高、廉价无毒等优点备受关注，所以以二氧化钛为光催化剂的光催化技术具有广泛的应用前景。但现有的二氧化钛光催化剂存在光电转化效率低，光催化效率低的缺点，而且主要原因是现有的二氧化钛颗粒体相缺陷和表面缺陷会在材料处理过程中同步生成和同步消失，由于缺陷会成为光生电荷复合的中心，所以体相缺陷会使二氧化钛光催化剂光电转化效率降低，而表面缺陷能使光生电荷迁移到材料表面与污染物发生反应。为了减少二氧化钛光催化剂体相缺陷，同时保留或增多二氧化钛光催化剂表面缺陷，需要开发相应二氧化钛的改性方法，增强其光电转化效率。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种二氧化钛体-表两相缺陷的优化方法。本发明制备的材料同时具有较少的体相缺陷和较多的表面缺陷，可以显著提高二氧化钛光催化剂的光电转化效率。

本发明的技术方案如下：

一种二氧化钛体-表两相缺陷的优化方法，该方法包括以下步骤：

(1)将无水乙醇与氨水混合，其中乙醇与氨的摩尔比是1:5～100；

(2)将晶体二氧化钛与步骤(1)所得溶液以质量之比为1:2000～1:50混合，超声震荡0.1～5h，形成二氧化钛悬浊液；

(3)在激烈搅拌的条件下，将正硅酸乙酯在1～150min内缓慢滴入步骤(2)所得悬浊液中，其中正硅酸乙酯与步骤(2)所得悬浊液的质量之比为1:1000～1:10；

(4)将步骤(3)所得悬浊液在10℃～100℃条件下搅拌1～50h；

(5)将步骤(4)所得悬浊液离心或过滤，离心或过滤后所得固体水洗2～4次，无水乙醇洗1～4次，自然风干或烘干得固体粉末；

(6)将步骤(5)所得固体粉末在350℃～1200℃加热条件下煅烧1～300min；

(7)将步骤(6)所得固体加入氢氟酸溶液中搅拌反应1～72h离心或过滤弃上清液，其中氢氟酸溶液与固体的质量比为5～200:1；

(8)将步骤(7)离心或过滤后得到的固体水洗至pH值为6～8，离心或过滤，自然风干或烘干得高光电转化效率的二氧化钛材料。

2、步骤(2)所述晶体二氧化钛可以是锐钛矿型、金红石型或锐钛矿与金红石的混晶，粒径范围为10-1000nm。

3、步骤(1)所述氨水为20～30wt％的氨水溶液。

4、步骤(5)和步骤(8)所述的水为超纯水、去离子水或蒸馏水。

5、步骤(7)所述氢氟酸溶液为1～10wt％的氢氟酸溶液。

6、制备得到的高光电转化效率二氧化钛材料的应用，其特征在于可用于降解有机污染物。

本发明有益的技术效果在于：

本发明制备得到的高光电转化效率二氧化钛材料同时具有较少的体相缺陷和较多的表面缺陷，而传统方法合成的二氧化钛材料同时具有较少的体相和表面缺陷或同时具有较多的体相和表面缺陷。本发明创新性的利用了二氧化钛和二氧化硅晶体相变温度的差异，在优化二氧化钛体相晶格，减少其体相缺陷的同时保留了二氧化钛颗粒表面的缺陷位点，使得大部分光生电子和空穴迁移到表面与表面吸附的有机污染物发生反应，从而达到净化VOCs的目的。

本发明制备得到的高光电转化效率二氧化钛材料同时具有较少的体相缺陷和较多的表面缺陷，光催化降解性能相较于传统晶体二氧化钛有明显提升，可实现在较短停留时间条件下对气态有机污染物的高效降解，符合工业废气和臭气等气体污染净化的实际要求。

本发明制备得到的高光电转化效率二氧化钛材料可应用于工业废气净化，例如：以材料为核心制备废气净化组件，安装于尾气处理装置，可用于治理制药、涂装、喷漆、橡胶等行业废气；安装于臭气收集装置尾部，则可实现臭气净化以及杀灭臭气中的病菌，保护人体健康。该材料能广泛用于各类有VOCs和臭气排放的工厂，在VOCs气体净化领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为实例1所制备的高光电转化效率二氧化钛材料与混晶二氧化钛(P25)对甲苯的去除曲线对比图；

图2为实例1所制备的高光电转化效率二氧化钛材料与混晶二氧化钛(P25)的表面光电压谱对比图；

图3为实例1所制备的高光电转化效率二氧化钛材料的透射电镜照片；

图4为实例1所制备的混晶二氧化钛(P25)的透射电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

实施例1

将无水乙醇和氨水混合，其中乙醇与氨水的摩尔比是50:1。将锐钛型和金红石型混晶二氧化钛(P25，80％锐钛矿型和20％金红石型)投加到所得溶液中，超声震荡20min，形成质量比为1:400的悬浊液。将与悬浊液质量比为1:64的正硅酸乙酯30min缓慢滴入所得悬浊液中，将所得悬浊液离心并水洗2次，乙醇洗2次，将所得固体自然风干或烘干。将所得固体700℃加热30min，得到固体粉末。在激烈搅拌条件下，将制得的固体粉末加入到与其质量比为16:1的氢氟酸溶液中形成悬浊液，悬浊液搅拌48h。将所得悬浊液离心后得到的固体水洗至pH为7，离心，自然风干或烘干得高光电转化效率二氧化钛材料。

上述实施例所用的氨水为2wt％的氨水。上述步骤中所用氢氟酸为5wt％的氢氟酸溶液。

图1为实例2所制备的高光电转化效率二氧化钛材料与混晶二氧化钛(P25)对甲苯的去除曲线对比图。从图中可以看出，在相同条件下，高光电转化效率二氧化钛完全去除甲苯的时间比混晶二氧化钛(P25)大大缩短。说明高光电转化效率二氧化钛具有更好的甲苯净化效果。

图2为实例2所制备的高光电转化效率二氧化钛材料与混晶二氧化钛(P25)的表面光电压谱对比图。从图中可以看出，在相同条件下，高光电转化效率二氧化钛的表面光电压明显高于混晶二氧化钛(P25)，说明高光电转化效率二氧化钛的光电转化效率显著高于混晶二氧化钛(P25)，具有更优异的光催化性能。

实施例2

将无水乙醇和氨水混合，其中乙醇与氨水的摩尔比是65:1。将锐钛型和金红石型混晶二氧化钛(P25，80％锐钛矿型和20％金红石型)投加到所得溶液中，超声震荡15min，形成质量比为1:2000的悬浊液。将与悬浊液质量比为1:320的正硅酸乙酯10min缓慢滴入所得悬浊液中，将所得悬浊液离心并水洗3次，乙醇洗2次，将所得固体自然风干或烘干。将所得固体700℃加热30min，得到固体粉末。在激烈搅拌条件下，将制得的固体粉末加入到与其质量比为125:1的氢氟酸溶液中形成悬浊液，悬浊液搅拌48h。将所得悬浊液离心后得到的固体水洗至pH为7，离心，自然风干或烘干得高光电转化效率二氧化钛材料。

上述实施例所用的氨水为2wt％的氨水。上述步骤中所用氢氟酸为1wt％的氢氟酸溶液。

实施例3

将无水乙醇和氨水混合，其中乙醇与氨水的摩尔比是100:1。将锐钛型二氧化钛投加到所得溶液中，超声震荡10min，形成质量比为1:500的悬浊液。将与悬浊液质量比为1:32的正硅酸乙酯30min缓慢滴入所得悬浊液中，将所得悬浊液离心并水洗2次，乙醇洗2次，将所得固体自然风干或烘干。将所得固体700℃加热30min，得到固体粉末。在激烈搅拌条件下，将制得的固体粉末加入到与其质量比为8:1的氢氟酸溶液中形成悬浊液，悬浊液搅拌24h。将所得悬浊液离心后得到的固体水洗至pH为6.5，离心，自然风干或烘干得高光电转化效率二氧化钛材料。

上述实施例所用的氨水为5wt％的氨水。上述步骤中所用氢氟酸为10wt％的氢氟酸溶液。

实施例4

将无水乙醇和氨水混合，其中乙醇与氨水的摩尔比是80:1。将锐钛型和金红石型混晶二氧化钛(P25，80％锐钛矿型和20％金红石型)投加到所得溶液中，超声震荡20min，形成质量比为1:1000的悬浊液。将与悬浊液质量比为1:32的正硅酸乙酯30min缓慢滴入所得悬浊液中，将所得悬浊液离心并水洗3次，乙醇洗2次，将所得固体自然风干或烘干。将所得固体600℃加热30min，得到固体粉末。在激烈搅拌条件下，将制得的固体粉末加入到与其质量比为20:1的氢氟酸溶液中形成悬浊液，悬浊液搅拌36h。将所得悬浊液离心后得到的固体水洗至pH为7，离心，自然风干或烘干得高光电转化效率二氧化钛材料。

上述实施例所用的氨水为2wt％的氨水。上述步骤中所用氢氟酸为2wt％的氢氟酸溶液。

实施例5

将无水乙醇和氨水混合，其中乙醇与氨水的摩尔比是80:1。将锐钛型和金红石型混晶二氧化钛(P25，80％锐钛矿型和20％金红石型)投加到所得溶液中，超声震荡60min，形成质量比为1:400的悬浊液。将与悬浊液质量比为1:32的正硅酸乙酯60min缓慢滴入所得悬浊液中，将所得悬浊液离心并水洗4次，乙醇洗2次，将所得固体自然风干或烘干。将所得固体900℃加热30min，得到固体粉末。在激烈搅拌条件下，将制得的固体粉末加入到与其质量比为32:1的氢氟酸溶液中形成悬浊液，悬浊液搅拌72h。将所得悬浊液离心后得到的固体水洗至pH为6.5，离心，自然风干或烘干得高光电转化效率二氧化钛材料。

上述实施例所用的氨水为2wt％的氨水。上述步骤中所用氢氟酸为5wt％的氢氟酸溶液。