铁离子掺杂TiO2纳米管阵列光催化剂的制备方法

摘要

本发明公开了铁离子掺杂TiO2纳米管阵列光催化剂的制备方法，属于光催化剂技术领域，该制备方法包括以下步骤：S1、TiO2纳米管阵列的制备；S2、铁盐前驱液的配制：以无机铁盐为溶质，去离子水为溶剂进行配制，得到铁盐前驱液；S3、TiO2纳米管阵列的前处理：将无定型TiO2纳米管阵列浸泡于无水乙醇中，烘干；S4、铁离子掺杂TiO2纳米管阵列的制备：将TiO2纳米管阵列浸泡于铁盐前驱液中，使其溶解结晶，取出，清洗后自然干燥，得铁离子掺杂TiO2纳米管阵列可见光光催化剂。本方法在常压和低于100℃的水溶液中完成TiO2纳米管阵列的结晶和铁金属离子的掺杂改性，增强了TiO2纳米管阵列的电子传导能力。

说明书

技术领域

本发明涉及光催化剂技术领域，更具体地说，它涉及一种铁离子掺杂TiO

背景技术

TiO

采用阳极氧化法制备的TiO

有鉴于此，本发明提供一种铁离子掺杂TiO

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种铁离子掺杂TiO

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

铁离子掺杂TiO

S1、TiO

采用电化学阳极氧化法制得无定型TiO

S2、铁盐前驱液的配制

以无机铁盐为溶质，去离子水为溶剂进行配制，得到浓度为0.05-0.6mol/L的铁盐前驱液；

S3、TiO

将步骤S1中得到的所述无定型TiO

S4、铁离子掺杂TiO

将烘干后的TiO

进一步优选为：在步骤S1中，TiO

S11、将经化学抛光液处理的纯度为99.7-99.999％的钛片，通过超声清洗装置依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗5-25min，烘干待用；

S12、以0.2-0.5wt％的氟化物作为溶质，体积比为98:2的有机醇类和去离子水的混合液作为溶剂，配制有机含氟电解液；

S13、在50-60V的直流电压下，以钛片为阳极，与钛片相同面积的铂电极为阴极，有机含氟电解液为反应液，反应温度控制在20-30℃，氧化时间为1-3h，电极间的距离为1-5cm，制得TiO

S14、将步骤S13中得到的TiO

进一步优选为：在步骤S12中，所述氟化物为氟化铵或氟化钠中的一种或两种。

进一步优选为：在步骤S12中，所述有机醇类为丙三醇或乙二醇中的一种或两种。

进一步优选为：在步骤S2中，所述无机铁盐为硝酸铁或氯化铁中的一种或两种。

进一步优选为：在步骤S11中，所述超声清洗装置包括箱体、盖板、丙酮清洗箱、无水乙醇清洗箱、去离子水清洗箱、推动机构、震动棒、超声机、钛片管、电热棒、弹簧、气缸；

所述丙酮清洗箱、无水乙醇清洗箱和所述去离子水清洗箱均位于所述箱体内，所述震动棒和所述超声机分别位于所述丙酮清洗箱、无水乙醇清洗箱和所述去离子水清洗箱的内外侧；

所述推动机构包括滑板和电机，所述电机用于驱动所述滑板在所述箱体内水平移动，以使所述钛片管在所述丙酮清洗箱、无水乙醇清洗箱和所述去离子水清洗箱上方水平移动，所述支撑板位于所述滑板上方，所述弹簧连接在所述支撑板和所述滑板之间，所述钛片管由上往下依次穿过所述支撑板和所述滑板，所述钛片管可拆卸连接在所述支撑板上，所述电热棒固定在所述滑板上且位于所述钛片管外侧，所述盖板位于所述箱体顶部，所述气缸安装在所述盖板上且用于推动所述支撑板和所述钛片管向下移动，以使所述钛片管伸入所述丙酮清洗箱、无水乙醇清洗箱或所述去离子水清洗箱内；

所述丙酮清洗箱内装有丙酮，所述无水乙醇清洗箱内装有无水乙醇，所述去离子水清洗箱内装有去离子水，所述钛片管侧壁及底部均开设有穿孔，钛片管内装有钛片。

进一步优选为：所述推动机构还包括齿轮和连接轴；

所述电机安装在所述箱体外侧，所述连接轴位于所述箱体内且一端穿过所述箱体与所述电机输出轴连接，另一端与所述箱体侧壁转动连接，所述齿轮固定在所述连接轴上，所述滑板底面设置有齿面，所述齿轮位于所述滑板下方且与所述齿面啮合设置；

所述箱体侧部开设有用于所述滑板滑出所述箱体的通孔。

进一步优选为：所述丙酮清洗箱、无水乙醇清洗箱和所述去离子水清洗箱依次排列，所述箱体内壁设置有滑轨，所述滑轨长度方向与所述丙酮清洗箱、无水乙醇清洗箱和所述去离子水清洗箱排列方向一致。

进一步优选为：所述箱体顶部一侧固定有固定板，所述固定板顶面与所述箱体顶面齐平，所述盖板与所述箱体、固定板滑动连接。

进一步优选为：所述固定板顶面开设有第一滑槽，所述箱体顶面开设有第二滑槽，所述第一滑槽和所述第二滑槽对接形成一条用于所述盖板滑动的滑槽，所述盖板底部固定有滑条，所述滑条用于在所述第一滑槽和所述第二滑槽内滑动；

所述气缸包括活塞杆，所述气缸活塞杆由上往下穿过所述盖板，所述气缸活塞杆下端固定有压块，所述压块用于推动所述支撑板和所述钛片管向下移动，所述箱体在靠近所述固定板一侧开设有用于所述压块穿过的开口，所述固定板顶面开设有用于容纳所述压块的容纳槽，所述箱体通过所述开口与所述容纳槽连通。

综上所述，本发明具有以下有益效果：本方法在常压和低于100℃的水溶液中完成TiO

(1)本发明的突出特点是在常压和低于100℃的条件下能够得到锐钛矿型TiO

(2)本发明的突出特点是利用铁盐水溶液为前驱体，在TiO

(3)本发明的突出特点是通过铁离子嵌入在TiO

附图说明

图1是实施例1得到的铁离子掺杂TiO

图2是实施例1中铁离子掺杂TiO

图3是实施例1中TiO

图4是实施例1中TiO

图5是实施例1中可见光下TiO

图6是实施例1得到的铁离子掺杂TiO

图7是实施例1中的结构示意图，主要用于体现超声清洗装置的内部结构；

图8是实施例1中的俯视示意图，主要用于体现盖板的安装结构；

图9是实施例1中的结构示意图，主要用于体现钛片管的结构。

图中，1、箱体；2、盖板；3、滑条；4、通孔；5、丙酮清洗箱；6、无水乙醇清洗箱；7、去离子水清洗箱；8、推动机构；81、齿轮；82、连接轴；83、滑板；84、齿面；9、电热棒；10、震动棒；11、超声机；12、弹簧；13、钛片管；14、开口；15、压块；16、滑轨；17、气缸；18、固定板；19、容纳槽；20、第一滑槽；21、支撑板；22、钛片；23、穿孔；24、凸缘；25、第二滑槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：铁离子掺杂TiO

S1、TiO

采用电化学阳极氧化法制得无定型TiO

S11、将经化学抛光液处理的纯度为99.99％的高纯钛片22，通过超声清洗装置依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15min，烘干待用；

S12、以0.4wt％的氟化铵作为溶质，体积比为98:2的丙三醇和去离子水的混合液作为溶剂，配制有机含氟电解液；

S13、在55V直流电压的条件下，以清洗且烘干后的钛片22为阳极，与钛片22相同面积的铂电极为阴极，步骤S12中配制的有机含氟电解液为反应液，反应温度控制在25℃，氧化时间为1.5h，电极间的距离为2cm，制得TiO

S14、将步骤S13中得到的TiO

S2、铁盐前驱液的配制

以硝酸铁为溶质，去离子水为溶剂进行配制，得到浓度为0.3mol/L的铁盐前驱液(硝酸铁前驱液)；

S3、TiO

将步骤S1中得到的无定型TiO

S4、铁离子掺杂TiO

将烘干后的TiO

脱色实验

采用实施例1制得的铁离子掺杂TiO

实验步骤如下：

(1)将有效面积为1cm×1cm的实施例1制得的铁离子掺杂TiO

(2)用300W的中压氙灯为光源，模拟太阳光对其进行光催化降解实验；

(3)每隔15min定时取样，然后用紫外-可见分光光度计测试甲基橙溶液吸光度的变化；

(4)将上述步骤中的实施例1制得的铁离子掺杂TiO

图1为铁离子掺杂TiO

图2为铁离子掺杂TiO

图3为TiO

图4为TiO

图5中曲线Blank为不加催化剂时，模拟可见光条件下照射120min后，甲基橙的降解率只有3.58％。曲线TNTs为TiO

综上所述，通过本发明制备的铁离子掺杂TiO

本方法首先采用电化学阳极氧化法制备高度有序、排列紧密的无定型TiO

参照图7-9，在步骤S11中，超声清洗装置包括箱体1、盖板2、丙酮清洗箱5、无水乙醇清洗箱6、去离子水清洗箱7、推动机构8、震动棒10、超声机11、钛片管13、电热棒9、弹簧12、气缸17。丙酮清洗箱5、无水乙醇清洗箱6和去离子水清洗箱7等间距依次排列在箱体1内底部，震动棒10和超声机11分别安装在丙酮清洗箱5、无水乙醇清洗箱6和去离子水清洗箱7的内外侧。丙酮清洗箱5内装有丙酮，无水乙醇清洗箱6内装有无水乙醇，去离子水清洗箱7内装有去离子水。

参照图7-9，推动机构8包括滑板83、电机、齿轮81和连接轴82。电机(图中未示出)用于驱动滑板83在箱体1内水平移动，以使钛片管13在丙酮清洗箱5、无水乙醇清洗箱6和去离子水清洗箱7上方水平移动。优选的，电机安装在箱体1外侧，连接轴82位于箱体1内且一端穿过箱体1与电机输出轴连接，另一端与箱体1侧壁转动连接。齿轮81固定在连接轴82轴向上，滑板83底面设置有齿面84，齿轮81位于滑板83下方且与齿面84啮合设置。箱体1靠近齿轮81一侧开设有用于滑板83滑出箱体1的通孔4。

参照图7-9，钛片管13为圆筒状且底部为封口，顶部为开口14，钛片管13侧壁下方及底部均开设有若干个用于连通钛片管13内外的穿孔23，钛片管13内装有用于清洗的钛片22。支撑板21位于滑板83上方，弹簧12连接在支撑板21和滑板83之间，钛片管13由上往下依次穿过支撑板21和滑板83。钛片管13可拆卸连接在支撑板21上，具体的，钛片管13顶部固定有凸缘24，凸缘24抵紧在支撑板21顶面且与支撑板21螺丝连接。电热棒9固定在滑板83底部且位于钛片管13外部的相对两侧，电热棒9对钛片22进行烘干。箱体1内壁设置有滑轨16，滑轨16长度方向与丙酮清洗箱5、无水乙醇清洗箱6和去离子水清洗箱7排列方向一致，以使滑板83带动支撑板21和钛片管13在丙酮清洗箱5、无水乙醇清洗箱6和去离子水清洗箱7上方平稳的水平移动。

参照图7-9，盖板2位于箱体1顶部，气缸17安装在盖板2上且用于推动支撑板21和钛片管13向下移动，以使钛片管13伸入丙酮清洗箱5、无水乙醇清洗箱6或去离子水清洗箱7中。箱体1顶部一侧固定有固定板18，固定板18位于电机上方，固定板18顶面与箱体1顶面齐平，盖板2与箱体1、固定板18滑动连接。优选的，固定板18顶面开设有第一滑槽20，箱体1顶面开设有第二滑槽25，第一滑槽20和第二滑槽25对接形成一条用于盖板2滑动的滑槽。盖板2底部固定有滑条3，滑条3用于在第一滑槽20和第二滑槽25内滑动。气缸17包括活塞杆，气缸17活塞杆由上往下穿过盖板2，气缸17活塞杆下端固定有压块15，压块15用于推动支撑板21和钛片管13向下移动。箱体1在靠近固定板18一侧开设有用于压块15穿过的开口14，固定板18顶面开设有用于容纳压块15的容纳槽19，箱体1通过开口14与容纳槽19连通。

在上述技术方案中，在步骤S11中，需要将钛片22依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗，清洗后再烘干待用，为此本发明提供一种方便钛片22依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗，清洗后再烘干的超声清洗装置。清洗时，先启动气缸17，以使压块15带动支撑板21和钛片管13下压，直至钛片管13进入丙酮清洗箱5，此时钛片22将浸泡在丙酮清洗箱5内的丙酮中，丙酮清洗处理后，气缸17活塞杆慢慢回缩，在弹簧12作用下，支撑板21和钛片管13慢慢向上移动，此时便可通过电热棒9对钛片22进行烘干。烘干后，启动电机，以使齿轮81转动，此时滑板83将带动支撑板21和钛片管13向靠近无水乙醇清洗箱6方向移动，待钛片管13移动到无水乙醇清洗箱6正上方时，再重复上述步骤，直至钛片22依次通过在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗，清洗后再通过电热棒9烘干。钛片22取出时，只需向靠近固定板18方向推动盖板2，以使箱体1顶开敞开，此时便可将钛片管13取下，再倒出钛片22即可，使用简单方便，可对钛片22进行全面清洗和烘干。

实施例2：铁离子掺杂TiO

S1、TiO

采用电化学阳极氧化法制得无定型TiO

S11、将经化学抛光液处理的纯度为99.7％的高纯钛片22，通过超声清洗装置依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗5min，烘干待用；

S12、以0.2wt％的氟化钠作为溶质，体积比为98:2的乙二醇和去离子水的混合液作为溶剂，配制有机含氟电解液；

S13、在50V直流电压的条件下，以清洗且烘干后的钛片22为阳极，与钛片22相同面积的铂电极为阴极，步骤S12中配制的有机含氟电解液为反应液，反应温度控制在20℃，氧化时间为1h，电极间的距离为1cm，制得TiO

S14、将步骤S13中得到的TiO

S2、铁盐前驱液的配制

以氯化铁为溶质，去离子水为溶剂进行配制，得到浓度为0.05mol/L的铁盐前驱液；

S3、TiO

将步骤S1中得到的无定型TiO

S4、铁离子掺杂TiO

将烘干后的TiO

实施例3：铁离子掺杂TiO

S1、TiO

采用电化学阳极氧化法制得无定型TiO

S11、将经化学抛光液处理的纯度为99.999％的高纯钛片22，通过超声清洗装置依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗25min，烘干待用；

S12、以0.5wt％的氟化铵作为溶质，体积比为98:2的丙三醇和去离子水的混合液作为溶剂，配制有机含氟电解液；

S13、在60V直流电压的条件下，以清洗且烘干后的钛片22为阳极，与钛片22相同面积的铂电极为阴极，步骤S12中配制的有机含氟电解液为反应液，反应温度控制在30℃，氧化时间为3h，电极间的距离为5cm，制得TiO

S14、将步骤S13中得到的TiO

S2、铁盐前驱液的配制

以硝酸铁为溶质，去离子水为溶剂进行配制，得到浓度为0.6mol/L的铁盐前驱液(硝酸铁前驱液)；

S3、TiO

将步骤S1中得到的无定型TiO

S4、铁离子掺杂TiO

将烘干后的TiO

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。