高性能二氧化钛光催化纳米材料的制备方法

摘要

本发明公开了自清洁光催化领域高性能二氧化钛光催化纳米材料的制备方法。利用未经任何处理的双氧水，草酸钛钾为原料，通过简单的溶剂热法制备出了多种微观形貌可调、高光催化性质的二氧化钛纳米材料。本发明具有操作简单，成本低，产物光催化性能良好，适合工业生产等特点。

说明书

技术领域

本发明公开的是高性能二氧化钛纳米光催化材料的制备方法，属于自清洁 光催化领域。

背景技术

在光催化应用领域中，具有良好光催化特性的二氧化钛纳米材料具有非常 广阔的应用前景。对于二氧化钛光催化材料的制备工艺而言，化学合成法有利 于工业化，但目前化学法采用的合成原料多为四氯化钛、四氟化钛、钛酸丁酯、 钛酸异丙酯等试剂，这些钛盐不仅对人体有害，而且在空气中容易潮解，对制 备温度和设备的要求非常苛刻，其制备方法工业化困难。若采用不易潮解、无 毒的钛盐为原料，摸索一套简单温和的条件下制备具有优良光催化性质的二氧 化钛纳米材料的新方法，不仅有利于推广其工业化生产，而且可以通过二氧化 钛微观结构的调控使其光催化性能获得几倍乃至几十倍的提高。对于增强光电 转换器的性能，提高光催化材料降解效率而言，研究开发具有较高光催化性能 的二氧化钛纳米材料具有重要意义。

化学物质的性能不仅取决于其化学组成，还往往取决于组成结构以及制备 方法，我们主要是通过液相条件下对纳米材料微观结构的调控来提高二氧化钛 的光催化性能。依据二氧化钛的光催化作用原理，当二氧化钛比表面积增大时， 既有利于增加光催化活性点，又有利于对氧气、水蒸汽和分解底物的吸附，从 而提高材料的光催化活性。通过调整二氧化钛纳米材料的微观形貌可以显著增 加其比表面积，如果在提高二氧化钛纳米材料的外表面积的同时，将其微观形 貌调控为空心结构，其光催化活性也将大大提高。例如，同样采用溶剂热合成 法，并通过纳米金颗粒的复合，可以提高二氧化钛空心微球的光催化性能，但 是需要600℃下煅烧而且其制备步骤复杂。同样采用水热法，以草酸钛钾为原料， 合成出了二氧化钛空心微球，比表面积提高到了130.2m²/g，光催化性能较二氧 化钛纳米棒略有提高，但其光催化降解效率有待改善。

发明内容

本发明的目的是通过对二氧化钛纳米材料微观形貌的调控开发一系列高性 能的光催化材料。

为了解决目前二氧化钛纳米光催化材料制备中存在的诸多问题，本发明采 用简单的溶剂热法，通过改变制备参数获得到了不同微观形貌的二氧化钛纳米 带状花、纳米棒状花和纳米棒自组装空心球材料，通过微观形貌的改变，最终 制备出了具有良好光催化性质的二氧化钛纳米材料。

所述高性能二氧化钛光催化纳米材料的制备方法，以双氧水和草酸钛钾为 原料进行液相反应，通过调节液相反应体系的实验参数，制备具有不同微观形 貌光催化性质二氧化钛纳米材料，所述方法具体制备工艺为：

1)先配制草酸钛钾水溶液加入烧瓶中作为母液，然后向母液中直接加入或 逐滴加入H₂O₂以进行液相反应；

2)待混合溶液反应完全后继续搅拌10～200min，将所得溶液转移至高压 反应釜，150～300℃加热处理10min～24h后自然冷却至室温；

3)沉淀清洗处理后，在恒温干燥箱中60～70℃烘干3h，即得二氧化钛纳米 材料。

所述草酸钛钾水溶液的浓度为0.01～0.1mol/L，双氧水的浓度为5～ 12mol/L，双氧水和草酸钛钾摩尔比为100:1～2000:1。

所述二氧化钛纳米材料为纳米带状花、纳米棒状花或纳米棒自组装空心球 材料中的一种。

本发明的优点是，采用的原料都是普通的工业生产出来的产品，没有进行 任何处理，因此这种光催化材料具有低的成本，适合工业大规模生产。

附图说明

图1是所得二氧化钛自组装纳米材料的扫描电镜照片。

图2是所得二氧化钛纳米棒自组装空心球光催化降解罗丹明B的紫外吸收 光谱图。

具体实施方式

具体实施过程中所用双氧水(H₂O₂)，草酸钛钾(PTO)和罗丹明B(RB)均为 工业生产的产品，所有原料未经任何处理。

实施例1二氧化钛纳米带状花的制备：

以15mL 0.06mol/L的草酸钛钾(PTO)水溶液为母液，取PTO与H₂O₂的摩尔 比为1:200，混合溶液反应完全后继续搅拌10min，将所得溶液转移至高压反应 釜，150℃加热处理0.5h后自然冷却至室温，沉淀清洗处理后在恒温干燥箱中 60～70℃烘干3h即得二氧化钛纳米棒状花材料(见图1a，图1b)。

实施例2二氧化钛纳米棒状花的制备：

以15mL 0.06mol/L的草酸钛钾(PTO)水溶液为母液，取PTO与H₂O₂的摩尔 比为1:2000，混合溶液反应完全后继续搅拌10min，将所得溶液转移至高压反应 釜，200℃加热处理5h后自然冷却至室温，沉淀清洗处理后在恒温干燥箱中 60～70℃烘干3h即得二氧化钛纳米棒状花材料(见图1c，图1d)。

实施例3二氧化钛纳米棒自组装空心球的制备：

以15mL 0.06mol/L的草酸钛钾(PTO)水溶液为母液，按PTO与H₂O₂的摩尔 比为1:200，向PTO溶液中逐滴加入0.18mol H₂O₂，滴加完毕搅拌0.5h后将所 得溶液移入反应釜，150℃加热处理5h自然冷却后，将所得沉淀清洗处理在恒 温干燥箱中60～70℃烘干3h后即得二氧化钛纳米棒自组装空心球材料(见图1e， 图1f)。

实施例4二氧化钛纳米材料光催化降解罗丹明B

以100mL 1.0×10^-5mol/L的罗丹明B溶液为目标降解物，向该溶液中分别 加入10mg不同形貌的二氧化钛纳米棒状花、纳米带状花和纳米棒自组装空心球 材料粉末，在250W Hg灯照射下进行光降解试验，以罗丹明B在550nm处的特 征吸收峰强度的改变来表征二氧化钛纳米材料对其的光降解效率，结果证明在 此光催化条件下空心球光催化性能最佳。

图2为二氧化钛纳米棒自组装空心球对罗丹明B降解的紫外扫描光谱图。 如图2所示，光催化反应仅10min后72％的罗丹明B已被空心球分解，30min 后罗丹明B的吸收峰几乎为零，二氧化钛纳米棒自组装空心球在半小时内对目 标降解物的光降解率高达98.5％。