一种在低温下制备高光催化活性的二氧化钛纳米晶的方法

摘要

本发明公开了一种在低温下制备高光催化活性的二氧化钛纳米晶的方法，该方法为溶胶－凝胶法，首先将钛的化合物溶解于有机溶剂中，得到A液；再将pH值1～6的水溶液和有机溶剂混合，得到B液；将A液缓慢的逐滴滴入B液中，搅拌直到形成稳定的溶胶；将溶胶在常温下陈化，然后在50～100℃干燥，即可。本发明所提供的制备高光催化活性的二氧化钛纳米晶是在低温下进行，且无需特殊装置，所需设备简单，得到的纳米晶颗粒尺寸小，直径在5nm左右，具有优异的光催化性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在低温下制备高光催化活性的二氧化钛纳米晶的方法。

背景技术

二氧化钛是一种N型宽禁带半导体，通常存在三种晶型，即板钛矿型、锐钛矿型和金红石型。相比较，锐钛矿型纳米晶二氧化钛具有较高的光催化活性，它也是目前在光催化应用方面研究最广泛的一种半导体金属氧化物。当它吸收了波长小于或等于387.5nm的光子后，价带上的电子就可以被激发跃迁到导带，故可在导带上产生电子和在价带上产生相应数量的空穴。当有水存在时，氧及水分子与电子空穴分别发生作用，最终产生具有高度化学活性的游离基·OH、·HO₂。因·OH具有很强的氧化能力，故能氧化大多数的有机污染物及部分无机污染物，最终降解为二氧化碳、水和其他小分子物质。因此，TiO₂光催化剂在治理环境污染和获得抗菌、自清洁表面等方面，受到国内外广大学者的极大关注。

制备TiO₂的方法有液相沉淀法、微乳反应法、水热法、气相法和溶胶-凝胶法等。溶胶-凝胶法由于设备简单，纯度高和反应过程易控制而备受关注，但通常情况在低温下得到的TiO₂为非晶，需要350℃以上的热处理才能得到结晶的TiO₂。而热处理过程容易引起TiO₂颗粒的长大与团聚，从而影响了TiO₂的光催化性能。故若在低温下能合成高光催化活性的TiO₂纳米晶体将具有很大的实际价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种在低温下制备高光催化活性的二氧化钛纳米晶的方法。该操作方法简单，成本低。

本发明的在低温下制备高光催化活性的二氧化钛纳米晶的方法，采用的是溶胶-凝胶法，步骤如下：

1)将钛的化合物溶解于有机溶剂中，钛的化合物和有机溶剂的摩尔比为1∶6～15，搅拌至均匀得到A液；

2)用酸液将去离子水的PH值调节至1～6，然后和有机溶剂混合，搅拌至均匀得到B液，去离子水与上述钛的化合物的摩尔比为20～600，有机溶剂和上述钛的化合物的摩尔比为3～10；

3)将A液逐滴滴入B液中，持续搅拌直到形成稳定的溶胶，再将溶胶于常温下陈化至少6小时，然后在50～100℃下干燥，即可。

上述的钛的化合物可以是钛酸丁酯、氯化钛或钛酸异丙酯。所说的有机溶剂可以是乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇和四氢呋喃中的一种或几种。所说的调节PH值的酸液是硝酸或盐酸。

本发明的有益效果在于：

本发明所提供的制备高光催化活性的二氧化钛纳米晶是在低温下进行，且无需特殊装置，所需设备简单，得到的纳米晶颗粒尺寸小，直径在5nm左右，具有优异的光催化性能。

附图说明

图1是二氧化钛纳米晶的X射线衍射图谱。

图2是二氧化钛纳米晶的高分辨透射电镜照片。

图3是二氧化钛纳米晶的光催化活性与商用的光催化剂P-25的比较。

具体实施方式

实施例1

1)将钛酸丁酯溶解到乙醇中，搅拌至均匀得到A液，钛酸丁酯和乙醇的摩尔比是1∶10；

2)用硝酸调节去离子水的PH值到1，并与乙醇混合搅拌得到B液，钛酸丁酯∶水∶乙醇的摩尔比是1∶100∶5；

3)将A液逐滴滴入B液中，持续搅拌直到形成稳定的溶胶，再将溶胶于常温下陈化12h，然后在50℃下干燥，磨碎，得到二氧化钛纳米晶。

制备的二氧化钛纳米晶的X射线衍射图谱如图1所示，其衍射峰与锐钛矿相二氧化钛的标准图谱一致，说明所得产品为锐钛矿相二氧化钛。通过谢乐公式(Scherrer equation)计算，其晶体平均直径为5nm。

图2为本实施例制备的二氧化钛纳米晶的高分辨透射电镜照片。从高分辨图谱中，可以清楚的看到晶粒直径在5nm左右，与谢乐公式计算值符合。

图3中线条5为商用光催化剂P-25分解甲基橙溶液的光催化活性，线条1为本实施例制备的二氧化钛纳米晶分解甲基橙溶液的光催化活性。甲基橙溶液的光催化脱色反应表现为准一级动力学关系，ln(C₀/C)＝kt，C₀和C分别为光照时间为0和t时的甲基橙的浓度；k用来表观速率常数。又因为ln(A₀/A)＝ln(C₀/C)＝kt，A₀和A分别为光照时间为0和t时在466nm处的吸光度值。故测得速率常数k，其值越大，说明光催化性能越好。从图中可以看到本实施例制备的二氧化钛纳米晶的光催化活性明显比P-25高。

实施例2

1)将钛酸异丙酯溶解到丙醇中，搅拌至均匀得到A液，钛酸异丙酯和丙醇的摩尔比是1∶15；

2)用盐酸调节去离子水的PH值到2，并与丙醇混合搅拌得到B液，钛酸异丙酯∶水∶丙醇的摩尔比是1∶600∶10；

3)将A液逐滴滴入B液中，持续搅拌直到形成稳定的溶胶，再将溶胶于常温下陈化36h，然后在70℃下干燥，磨碎，得到二氧化钛纳米晶。

本实施例制备的锐钛矿二氧化钛纳米晶的尺寸为7nm左右，其光催化活性比P-25高(见图3线条2)。

实施例3

1)将氯化钛溶解到丁醇中，搅拌至均匀得到A液，氯化钛和丁醇的摩尔比是1∶12；

2)用硝酸调节水的PH值到4，并与丁醇混合搅拌得到B液，氯化钛∶水∶丁醇的摩尔比是1∶80∶6；

3)将A液逐滴滴入B液中，持续搅拌直到形成稳定的溶胶，再将溶胶于常温下陈化72h，然后在60℃下干燥，磨碎，得到二氧化钛纳米晶。

本实施例制备的锐钛矿二氧化钛纳米晶的尺寸为6nm左右，其光催化活性比P-25高(见图3线条3)。

实施例4

1)将钛酸丁酯溶解到丙二醇中，搅拌至均匀得到A液，钛酸丁酯和丙二醇的摩尔比是1∶6；

2)用盐酸调节水的PH值到6，并与丙二醇混合搅拌得到B液，钛酸丁酯∶水∶丙二醇的摩尔比是1∶60∶3；

3)将A液逐滴滴入B液中，持续搅拌直到形成稳定的溶胶，再将溶胶于常温下陈化96h，然后在100℃下干燥，磨碎，得到二氧化钛纳米晶。

本实施例制备的锐钛矿二氧化钛纳米晶的尺寸为5nm左右，其光催化活性比P-25高(见图3线条4)。