一种可见光催化剂钛酸铬的制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新型、高效的无机光催化剂材料的制备方法及其应用，特别涉及用于降解有机污染物的光催化剂&2117017及其制备方法，属于无机光催化材料领域。
【背景技术】
[0002]随着社会经济的发展，环境和能源危机问题日益严重，已成为人类可持续发展所面临的两大挑战，解决能源短缺和环境污染问题是实现可持续发展、提高人民生活质量和保障国家安全的迫切需要。
[0003]太阳能作为一种取之不尽用之不竭的能源，凭借其廉价、清洁和可再生的优点成为人们竞相研究的热点。而当前半导体太阳能光催化技术则是很好地结合了能源和环境两大问题的一个关键点，因为通过将太阳能光子照射，光催化剂激发载流子迁移，使水转化为洁净的可以进行实际应用的氢能源，将非常有效地解决化石能源枯竭、气体温室、环境效应等带来的危机，而光催化反应是指光催化剂在吸收了高于其带隙能量的光子后，生成了空穴和电子，这些空穴和电子分别进行氧化反应和还原反应，可以很好消除有毒有机污染物，将进一步成为解决环境污染问题的一条廉价可行的途径。因此，光催化降解技术成为一种理想的环境污染治理技术，成为人们的研究热点。
[0004]虽然人们对光催化已经进行了近40年的研究，但是光催化技术仍难以实现高效廉价的太阳能转换，其原因主要是以T12为代表的半导体催化剂一般都具有较宽的禁带，为3.2电子伏特，这就决定了它只能在紫外光照射下才能表现出活性，而波长在400纳米以下的紫外光的能量却不足太阳光总能量的5%，而波长在400~700纳米的可见光却占了太阳光总能量的43%，这就大大限制了二氧化钛光催化剂的使用。因此，如何充分利用可见光是科研工作者需要解决的问题，研究和制备能够吸收可见光的半导体光催化剂是提高太阳能利用率，最终实现产业化的关键。中国专利CN 01127860报道了以一些碱土金属元素的钛酸盐光催化材料，具有良好的催化活性。在此报道的基础上，我们研究了一种新型的钛酸铬光催化材料Cr2Ti7O17,发现该类化合物具有优异的紫外和可见光响应的光催化性能，而且目前尚无报道。
【发明内容】
[0005]本发明的意义在于提供一种制备方法简单、具有良好的光催化活性、较强的应用前景的钛酸铬光催化剂及其制备方法。
[0006]为达到以上目的，本发明采用的技术方案是:
一种新型的钛酸铬光催化材料，它的化学式为Cr2Ti7O17,在紫外光和可见光的照射下，240分钟对亚甲基蓝的去除率最高可达到94%。
[0007]第一种钛酸铬光催化材料的制备方法，采用高温固相法，包括以下步骤:
(I)以含铬离子Cr3+的化合物、含钛离子Ti 4+的化合物为原料，按通式Cr 2Ti7017中对应元素的化学计量比称取各原料，研磨后混合均匀； (2)将步骤(I)得到的混合物在空气气氛下预煅烧，预煅烧温度为500?800°C，煅烧时间为4?10小时，自然冷却后，研磨并混合均匀；
(3)将步骤(2)得到的混合物在空气气氛中煅烧，煅烧温度为800?1250°C，煅烧时间为6?12小时，自然冷却后，研磨均匀后即得到钛酸铬光催化材料。
[0008]以上步骤所述的含铬元素离子Cr3+的化合物为氧化铬Cr2O3、硝酸铬Cr(NO3)3AH2O和氯化铬CrCl3.6H20中的一种；所述的含有钛元素离子Ti4+的化合物为二氧化钛T1 2。
[0009]步骤(2)所述的煅烧温度为550?800°C，煅烧时间为4?8小时；步骤(3)所述的煅烧温度为850?1200°C，煅烧时间为6?10小时。
[0010]第二种钛酸铬光催化材料的制备方法，采用溶胶凝胶法，包括以下步骤:
(1)按化学式Cr2Ti7O1^各元素的化学计量比，首先称取含有铬离子Cr3+的化合物，溶于适量的蒸馏水中，并加入一定量的络合剂，然后不断搅拌，直至完全溶解，得到A溶液；
(2)按化学式Cr2Ti7O1^各元素的化学计量比，称取含有钛离子Ti4+的化合物，溶于适量的无水乙醇中，并加入一定量的冰乙酸，不断搅拌，直至完全水解，得到淡黄色的B溶液；
(3)将上述得到的A溶液逐滴加入到淡黄色B溶液中，并在60°C的水浴环境下不断搅拌，直至溶液逐渐变得粘稠，最后形成粘稠状的胶体；
(4)将上述得到的胶体放置烘箱中，温度为50°C~150°C，时间为12小时，陈化并烘干；
(5)自然冷却后，取出前驱体，在空气气氛中煅烧，煅烧温度为600~1000°C，煅烧时间为4-12小时，自然冷却后，研磨均匀即得到钛酸铬光催化材料。
[0011]以上步骤所述的含铬离子Cr3+的化合物为硝酸铬Cr (NO3)3.9H20和氯化铬CrCl3.6H20中的一种；所述的含有钛离子Ti4+的化合物为钛酸四丁酯C 16H3604Ti和异丙醇钛C12H28O4Ti中的一种；所述的络合剂为柠檬酸、草酸中的一种。
[0012]步骤(5)所述的煅烧温度为700~950°C，煅烧时间为6~10小时。
[0013]第三种钛酸铬光催化材料的制备方法，采用水热法，包括以下步骤:
(1)按化学式Cr2Ti7O1^各元素的化学计量比，称取含有铬离子Cr3+的化合物，溶于适量的蒸馏水中，并不断搅拌，直至完全溶解；
(2)按化学式Cr2Ti7O17*各元素的化学计量比，称取含有钛离子Ti4+的化合物，溶于一定量的乙醇溶液中，并不断搅拌，直至完全水解；
(3)将上述得到的钛离子Ti4+溶液和铬离子Cr3+溶液混合均匀，调节混合溶液的pH值在8~9之间，并不断的搅拌，待搅拌均匀后，置于反应釜中，加入蒸馏水使之填充度约为80%，密封后放入烘箱中，控制温度在150°C ~280°C之间，反应时间在8~24小时；
(4)待上述反应结束后，取出反应釜，将所得到的沉淀物进行过滤、洗涤、并在一定的温度下烘干，然后再进行研磨即得到一种钛酸铬光催化粉末材料。
[0014]以上步骤所述的含铬离子Cr3+的化合物为硝酸铬Cr(NO3)3.9H20和氯化铬CrCl3.6H20中的一种或者两种组合；所述的含有钛离子Ti4+的化合物为四氯化钛TiCl 4和钛酸四丁酯C16H36O4Ti中的一种或者两种组合。
[0015]步骤(3)所述的反应温度为180~240°C，反应时间为10~24小时。
[0016]以上所述的钛酸铬Cr2Ti7O17*催化材料具有制备方法简单、光催化活性好的优点，且应用前景广阔，是一种很好的环境友好型无机光催化材料。
[0017]与现有技术方案相比，本发明技术方案优点在于: 1、Cr2Ti7O1A催化剂材料的制备方法简单、工艺设备简单、样品粒径较小且尺寸分布均匀；
2、所制备的Cr2Ti7O17光催化剂在很宽的光谱范围内均有吸收，从而在紫外光和可见光的照射下，Cr2Ti7O17光催化剂均能够高效光催化降解亚甲基蓝，具有良好的光催化活性；
3、本发明无废水废气排放，对环境友好，且易于工业化生产。
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例1所制得的Cr2Ti7O17样品的X射线粉末衍射图谱；
图2为本发明实施例1所制得的Cr2Ti7O17样品的SEM (扫描电子显微镜)图谱；
图3为本发明实施例1所制得的Cr2Ti7O17样品的紫外-可见吸收光谱；
图4为本发明实施例1所制得的&2117017样品在光照时对有机染料亚甲基蓝的降解曲线.图5为本发明实施例1所制得的Cr2Ti7O17样品降解亚甲基蓝的动力学曲线图；
图6为本发明实施例4所制得的Cr2Ti7O17样品的X射线粉末衍射图谱；
图7为本发明实施例4所制得的Cr2Ti7O17样品的SEM (扫描电子显微镜)图谱；
图8为本发明实施例4所制得的Cr2Ti7O17样品的紫外-可见吸收光谱图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步描述。
[0020]1、为了得到本发明中所使用的复合氧化物，首先使用固相合成法制备粉末，即把作为原料的各种氧化物