一种碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料粉体及其制备方法与流程

本发明涉及一种一种碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料粉体及其制备方法，特别是指一种溶剂热法制备碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料粉体，以及在可见光下降解水中有机污染物的应用。此材料对可见光具有良好的吸收性能，对有机染料具有良好的吸附性能，催化性能好，并且制备工艺操作简便、快捷。

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。

二氧化钛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。

然而二氧化钛在实际应用中还存在很多问题。由于二氧化钛带隙能高（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。碳、氮掺杂能够有效的降低纳米二氧化钛带隙能，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二氧化钛，这种方法不仅危险，元素掺杂量低，可见光吸收性能改善效果有限。此外，还存在电子空穴分离效率低的问题，通常采用半导体复合、石墨烯复合的方法来改善这种问题，然而这些方法具有成本高，制备方法不够简便的特点。

因此如何设计一种制备方法，一方面能够满足安全简便、成本低廉的要求；另一方面能够解决二氧化钛带隙能够低、电子空穴分离效率低的问题，有着重要的意义。

技术实现要素：

本发明在于提供一种碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料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：

ticl3溶液能够在异丙醇溶液中稳定，不易被快速氧化，经过搅拌后加入抗坏血酸后搅拌均匀转移到反应釜加热，反应过程中碳元素与氮元素被掺杂进二氧化钛中，由于抗坏血酸良好的还原性是的二氧化钛晶体在生长处在缺氧条件下，使得二氧化钛晶体中存在氧空位，而这些都导致了二氧化钛的带隙能降低，可见光吸收性能改善。此外在溶剂热条件下抗坏血酸经过热解后生成无定型碳与二氧化钛复合在一起，促进了电子空穴的分离。

一种制备碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料的方法，其特征在于采用以下步骤：

(1)往异丙醇溶液中加入浓度为15%的ticl3溶液，敞口搅拌直至溶液成无色在异丙醇溶液中加入抗坏血酸搅拌均匀。

(2)往在异丙醇溶液中加入抗坏血酸搅拌均匀。

(3)将搅拌好的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ticl3溶液和步骤(1)中溶液体积比例为1：40。

步骤(2)中每升异丙醇溶液加入6.6045g抗坏血酸。

步骤(3)中的加热温度为180℃，时间为7h。

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。

所述碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料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，实验条件安全、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。本发明制备的一种碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料粉体，经过投射电子显微镜检测后得出材料是由二氧化钛和无定形碳复合而成的（图1），经过x射线光电子能谱检测后发现碳氮元素被掺杂进二氧化钛中（图2），并且在光源波长大于400nm区域纯tio2吸收约为0%，碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料粉体70%以上（图3），带隙能降低为1.4ev（图4）。

附图说明

图1为实施例1透射电子显微镜图。

图2为实施例1的x射线光电子能谱图。

图3为实施例1紫外可见漫反射光谱图。

图4为根据kubelka-munk公式计算出实施例1的带隙能图。

图5为实施例2方法得到的光催化曲线。

具体实施方式

一种制备碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料的方法，其特征在于采用以下步骤：

(1)往异丙醇溶液中加入浓度为15%的ticl3溶液，敞口搅拌直至溶液成无色在异丙醇溶液中加入抗坏血酸搅拌均匀。

(2)往在异丙醇溶液中加入抗坏血酸搅拌均匀。

(3)将搅拌好的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ticl3溶液和步骤(1)中溶液体积比例为1：40。

步骤(2)中每升异丙醇溶液加入6.6045g抗坏血酸。

步骤(3)中的加热温度为180℃，时间为7h。

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。

所述碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料粉体用于水中目标污染物的可见光催化降解。

下面例举实施例子制备碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料粉体。

实施例1：碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料粉体

用移液管移取ticl3溶液1ml，加入30ml异丙醇中，磁力搅拌，直至溶液由紫色变为无色，时间为30min。然后称量抗坏血酸粉末0.27g，加入到上述溶液中，磁力搅拌。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，经透射电子显微镜检测后发现样品由无定形碳和二氧化钛组成，见图1。经过x射线光电子能谱检测后发现碳氮两种元素被掺杂进二氧化钛中，见图2。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3和图4。

实施例2：碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料粉体在可见光下降解罗丹明b

按实施例1方法制备的碳碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料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^-5moll^-1；取碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料粉体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制备得到碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料粉体的可见光催化曲线，图5可以看出施例1制备的碳氮共掺杂二氧化钛和无定形碳复合材料粉体粉体在光照90min后催化降解达到90%以上。