一种TiO2混晶纳米棒组装体光催化剂及其制备方法与流程

本发明属于光催化剂材料领域，涉及一种tio2混晶纳米棒组装体的制备方法，具体地说，是涉及金红石-锐钛矿混晶tio2纳米棒组装体光催化剂及其制备方法。

背景技术：

tio2纳米材料作为最有应用前景的光催化材料之一，其在传感器、太阳能电池、光催化、光能至电能的转换等领域的应用引起了人们的高度重视。如何简便地合成具有高性能的二氧化钛纳米材料成了全世界研究的热点。

tio2在自然界中具有三种天然的晶型：锐钛矿型、金红石型和板钛矿型。由于纳米tio2光催化剂产生的光生电子和空穴的分离转移速度慢，复合率高，导致光催化量子效率低，存在光催化效率不高的问题。随着研究的深入，发现当tio2体系中含有锐钛矿和金红石两种晶相时，由于半导体复合在界面处形成异质结，能够抑制电荷的复合，使tio2表现出比单一晶相更好的光催化活性。例如，现已产业化的degussa公司生产的高活性光催化剂p25就是由具有不同配比的(锐钛矿：80％，金红石20％)锐钛矿型tio2和金红石型tio2双晶相构成的。混晶tio2晶相交界处能促进光生电子-空穴的有效分离，降低光生载流子的复合率，同时由于混晶中的金红石型二氧化钛具有更窄的带隙，可以促进混晶二氧化钛对可见光的吸收，提高光的利用率。可见，混晶tio2体系在一定程度上可以提高其光催化活性。而目前常用的合成混晶的方法通常包括溶胶-凝胶法、高温煅烧法、溶剂热法、生产成本高等，这些方法通常合成过程复杂、反应条件苛刻、形貌难以控制、需使用有毒有害的溶剂等。所以研究一种低温、安全、成本低的混晶合成方法对于高性能tio2纳米材料的制备具有重要意义。

近年来，由低维的纳米结构单元如纳米线、纳米棒等有序组装而成的三维多级结构二氧化钛成为研究热点，这是因为与传统的低维二氧化钛纳米材料相比，三维多级结构显示出其独特的优势：(1)三维多级结构通常同时具有微米结构和纳米结构的优点，并能抑制两者结构上的缺陷，使其表现出优异的物化性质；(2)三维纳米材料具有更大的比表面积，可以为光催化反应提供更多的活性位点；(3)三维纳米材料具有更大的长径比，在光催化反应中有助于光生载流子的生成、迁移，反应物在表面的吸附，同时能大大增强二氧化钛对光的吸收和散射能力。鉴于三维纳米材料的优势，近年来科研人员采用模板法、溶剂热法、微波法等方法来合成具有良好催化活性的三维纳米材料。

技术实现要素：

本发明针对现有制备tio2混晶纳米棒组装体光催化剂技术中合成过程复杂、反应条件苛刻、形貌难以控制、需使用有毒有害的溶剂等等缺点，提供一种tio2混晶纳米棒组装体光催化剂的制备方法。该方法工艺简单，反应条件较温和，无需高温煅烧，制备出由锐钛矿-金红石型tio2纳米棒组装而成的花状结构，在光催化反应中有助于光生电子和空穴的分离转移速度快锐钛矿和金红石型的摩尔比可控，光催化性能高。本发明采用以下技术方案予以实现：

一种tio2混晶纳米棒组装体光催化剂及制备方法。其特征在于，所述方法以无机硫酸钛为原料，具有通过一步水热反应制得到锐钛矿-金红石型tio2混晶纳米棒组装结构光催化剂，制备方法包括下述步骤：

(1)将硫酸钛溶解于水中，加入一定量盐酸，搅拌均匀，浓度分别为硫酸钛：20-50mmol·l^-1，hcl：1-3mol·l^-1；

(2)将上述混合液转移到内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，在120-200℃恒温加热1-6h；

(3)将上述反应混合液冷却后，离心分离，分别用去离子水和无水乙醇洗涤三次，在干燥箱中干燥后得到tio2混晶纳米棒组装体光催化剂。

本发明的优点在于：所用前驱物为廉价的无机硫酸钛盐，制备工艺简单、成本低；该方法所制备tio2混晶纳米棒组装体光催化剂具有三维组装结构，对水中有机染料降解光催化活性高。

附图说明

图1为实施例一和实施例二所制备的tio2混晶纳米棒组装体样品的xrd谱图。

图2为实施例一所制备的tio2混晶纳米棒组装体样品的sem照片。

图3为实施例一所制备的tio2混晶纳米棒组装体样品的光催化降解亚甲基蓝的uv-vis吸收光谱图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明：

实施例一：

1.将硫酸钛溶解于水中，加入一定量盐酸，搅拌均匀，浓度分别为硫酸钛：25mmol·l^-1，hcl：3mol·l^-1；

2.将上述混合液转移到内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，在180℃恒温加热2h；

3.将上述反应混合液冷却后，离心分离，分别用去离子水和无水乙醇洗涤三次，在干燥箱中干燥后，得到tio2混晶纳米棒组装体光催化剂。

实施例二：

1.将硫酸钛溶解于水中，加入一定量的盐酸，搅拌均匀，浓度分别为硫酸钛：25mmol·l^-1，hcl：1.2mol·l^-1；

2.将上述混合液转移到内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，在180℃恒温加热2h；

3.将上述反应混合液冷却后，离心分离，分别用去离子水和无水乙醇洗涤三次，在干燥箱中干燥后，得到tio2混晶纳米棒组装体光催化剂。

实施例三：

1.将硫酸钛溶解于水中，加入一定量盐酸，搅拌均匀，浓度分别为硫酸钛：50mmol·l^-1，hcl：3mol·l^-1；

2.将上述混合液转移到内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，在180℃恒温加热2h；

3.将上述反应混合液冷却后，离心分离，分别用去离子水和无水乙醇洗涤三次，在干燥箱中干燥后，得到tio2混晶纳米棒组装体光催化剂。

实施例四：

1.将硫酸钛溶解于水中，加入一定量的盐酸，搅拌均匀，浓度分别为硫酸钛：25mmol·l^-1，hcl：2mol·l^-1；

2.将上述混合液转移到内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，在150℃恒温加热6h；

3.将上述反应混合液冷却后，离心分离，分别用去离子水和无水乙醇洗涤三次，在干燥箱中干燥后，得到tio2混晶纳米棒组装体光催化剂。

实施例五：

1.将硫酸钛溶解于水中，加入一定量的盐酸，搅拌均匀，浓度分别为硫酸钛：50mmol·l^-1，hcl：3mol·l^-1；

2.将上述混合液转移到内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，在180℃恒温加热6h；

3.将上述反应混合液冷却后，离心分离，分别用去离子水和无水乙醇洗涤三次，在干燥箱中干燥后，得到tio2混晶纳米棒组装体光催化剂。

图1为利用本发明实施例一和实施例二所述方法制备样品的xrd谱图。由图可以看出，从图中可以看出样品为混晶结构。图中标注*的为锐钛矿晶相的衍射峰，标注#的为金红石晶相的衍射峰，分别与标准卡片(jcpds)no.21-1272中锐钛矿相的衍射峰以及标准卡片(jcpds)no.65-0190中金红石相的衍射峰一致。

图2为利用本发明实施例一所述方法制备的tio2混晶纳米棒组装体光催化剂的sem照片。由图可以看出，花状结构是由纳米棒组装而成的，纳米棒长约1.5μm左右。

图3为利用本发明实施例一所述方法制备的tio2混晶纳米棒组装体光催化剂的光催化降解亚甲基蓝的uv-vis吸收光谱图。从图中可以看出亚甲基蓝的最大吸收峰强度随着光催化反应进行迅速降低，80min后，亚甲基蓝的最大吸收峰基本消失，说明水溶液中亚甲基蓝基本分解完全。水中亚甲基蓝的光催化降解实验结果表明，本发明制备的tio2混晶纳米棒组装体光催化剂对有机染料的光催化降解具有很好的光催化性能。

说明本发明所述方法制备的tio2混晶纳米棒组装体光催化剂也可以用作光催化分解水制氢的高效光催化剂。

同时，空气净化实验结果表明，本发明所述方法制备的锐钛矿-金红石型tio2混晶纳米棒组装体光催化剂对甲醛、甲苯、硫化氢、氨等有害气体也具有很好的光催化氧化性能，说明本发明所述方法制备的载铂钛酸钠混晶纳米线组装结构光催化剂，对空气中常见有害气体具有净化作用，可以用于空气净化光催化剂。

上述实施例是本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，未背离本发明的原理与工艺过程下所作的其它任何改变、替代、简化等，均为等效的置换，都应包含在本发明的保护范围之内。