制备碳掺杂介孔TiO₂膜的方法

专利名称：制备碳掺杂介孔TiO₂膜的方法
技术领域：
本发明属于光催化剂膜及其制备方法技术领域，尤其涉及一种碳掺杂介孔Ti02 光催化剂膜及其制备方法。
背景技术：
近年来，水污染问题日益受到人们的重视。通过高级氧化过程(Advanced Oxidation Processes, AOPs)将有毒污染物降解是一种污水净化的途径。纳米Ti02光催 化材料作为一种最有发展前景的光催化剂进行污水净化已经成为最有前途的方法之一。普 通纳米TW2光只能被可见光激发，因此延伸TW2的吸收光谱到可见光区是利用太阳光降 解的关键。元素如C、N、F掺杂是提高TiO2可见光催化活性的重要方法。通过掺杂改性后， TiO2的光催化降解反应可利用可见光源及太阳光激发，能有效利用取之不尽而有清洁的太 阳能。纳米1102光催化实际应用须解决的一个关键问题是提高光催化效率。影响光催化 效率的因素很多，其中主要是污染物在光催化剂表面上的输运、吸附、氧化分解、产物的脱 附和传递等。制备高比表面积的纳米TiO2光催化剂是提高光催化效率的可行途径。常见 的光催化处理体系包括悬浮体系和膜负载体系。悬浮体系使用的光催化剂都是粉末TiO2, 而粉末光催化剂在使用中有诸多不便，如存在回收困难等问题。负载体系避免了催化剂回 收困难的问题，但负载的光催化剂膜因表面积的减少而影响其活性。因此，制备具有高比表 面积特性的介孔光催化膜也成为T^2光催化降解技术研究的热点。

发明内容
本发明目的在于提供一种制备碳掺杂介孔T^2膜的方法，解决了现有技术中常见 光催化剂催化活性低或者回收困难等问题。为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是一种制备碳掺杂介孔TiO2膜的方法，其特征在于所述方法包括以葡萄糖作为结构 成型剂，同时加入的葡萄糖也作为碳掺杂源，采用溶胶-凝胶联合水热处理方法一步制备 碳掺杂介孔TiO2膜的步骤。优选的，所述方法具体按照如下步骤进行(1)以Ti (OBu) 4为原料通过溶液-凝胶法形成纯TW2纳米粉末；(2)以质量比为1 1 4 1的纯TiO2纳米粉末和葡萄糖为原料，采用溶胶-凝 胶联合水热处理方法在载体上一步成膜。优选的，所述步骤O)中载体选自平整玻璃、石英片。本发明技术方案中利用绿色环保的葡萄糖作为结构成型剂和碳掺杂源，通过溶 胶-凝胶联合水热处理技术一步制备高比表面积具有可见光催化活性的介孔碳掺杂的二 氧化钛膜，利用光催化膜的高比表面积和可见光吸收特性提高太阳光下污水处理的效率。 高比表面积能大大增加光活性物种的产生几率，提高光催化活性位点的分布区域，提供更
3多的活性位点，使膜在可见光下的催化降解效率得到提高。本发明的碳掺杂介孔二氧化钛膜的制备技术，得到的碳掺杂介孔二氧化钛光催化 膜是由纳米尺寸的二氧化钛溶胶组成，采用溶胶-凝胶联合水热处理技术在载体上一步成 膜。载体可以是平整玻璃、石英片。所述光催化膜的碳掺杂及介孔特性是利用绿色环保的 葡萄糖同时作为结构成型剂和碳掺杂源实现的。所述的光催化膜同时具有紫外或可见光激 发的污水净化能力。其可见光催化活性是通过C元素掺杂实现的。本发明得到一种碳掺杂介孔T^2膜光催化剂，以绿色环保的葡萄糖为结构成型剂 和碳掺杂源，以简便、低廉的溶胶-凝胶法联合水热技术制备。通过碳掺杂使催化剂的吸收 光谱延伸到可见光区，同时介孔的结构使催化膜具有高比表面积。由本发明制得的催化剂 膜具有高光催化活性。同时，掺杂和介孔膜的形成一步完成，所述方法简单易行。相对于现有技术中的方案，本发明的优点是本发明利用葡萄糖作为成膜过程中的介孔诱导剂并同时提供元素掺杂的碳源。所 用试剂具有无毒、低成本的特点。介孔膜的形成和催化剂的掺杂修饰一步完成，制备过程不 产生有毒物质，具有绿色环保、简单、高效的优点。利用本发明制备的碳掺杂介孔T^2膜进行水中有机物的降解能有效地提高光催 化效率。同时，本发明采用的碳掺杂介孔二氧化钛光催化膜具有可见光催化活性，可利用 清洁的太阳光激发纳米二氧化钛光催化剂进行污水处理，节省能源。


下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述图1是本发明制备的碳掺杂介孔TiO2膜与普通纳米TiA膜的XRD图；图2是本发明制备的碳掺杂介孔TiO2膜的XPS图；图3是本发明制备的碳掺杂介孔TiO2膜与普通纳米TW2膜的漫反射光谱；图4是本发明制备的碳掺杂介孔TiO2膜与普通纳米TiA膜的SEM图；图5是本发明制备的样品与对比样品的光催化降解图；图6是本发明制备的碳掺杂介孔TiO2膜在紫外光下的循环降解图。
具体实施例方式以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明 本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做 进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。实施例1碳掺杂介孔TW2膜的制备将25ml的Ti (Obu) 4边搅拌边滴加到8ml_Pr0H中，使之充分混合均勻，得到溶液 A ；取200ml水，控制pH值范围1. 75 2. 25，得到溶液B ；在高速机械搅拌下，将溶液A缓慢 的滴加到B中。在恒温75°C水浴条件下搅拌回流Mh。溶胶在45°C旋转蒸发除去水分，将 所获得的TW2粉末在60°C真空干燥池。碳掺杂介孔TiO2膜制备时以绿色无污染的葡萄糖为结构成型剂和碳掺杂源，纳米 TiO2粉末和葡萄糖的质量比分别为4 1、2 1、1 1。取70ml制备好的TiO2粉末溶液 加入水热反应釜中，将用丙酮和蒸馏水洗干净的玻璃片放入水热反应釜中，150°C保温12h，
4自然冷却到室温。将制备的碳掺杂介孔TiO2膜用乙醇和蒸馏水清洗干净后，在马弗炉中 450°C煅烧 Ih。图1显示碳掺杂膜和普通TiO2两种膜的特征衍射峰都是25. 4°，37. 9 °， 48.2°，54. 7°，62. 8°，上述结果表明，制备的样品主要为锐钛矿晶体结构，没有金红石相 生成。XRD显示碳掺杂样品具有更小的粒径，衍射峰更宽。图2 (a)中Ti2pl/2、Ti2p3/2对应的能谱分别为464. 2eV和458. ^V，表明在锐钛 矿TiO2中Ti元素的存在形式是Ti4+。图(b)中Cls对应的能谱分别是284. 6eV, 286. 2eV, 288. 6eV和282. ^V，其中能谱观2. 4eV起源于O-Ti-C键，这表明C元素已经取代了 0原子 进入TW2晶格。从图(3)中可以看出碳掺杂样品膜吸收边延伸到400-500nm范围，发生了红移。从图中看出碳掺杂样品膜是介孔的，而普通的T^2膜则更多地团聚在一起。 介孔结构能够提供膜高的比表面积，从而提高光催化活性。图4(A)为本发明制备的碳掺杂 介孔TW2膜的SEM图，图4B为普通纳米TW2膜的SEM图。表1显示碳掺杂样品膜具有更高的比表面积和孔容，这对提高光催化活性是十分 有利的。现有碳掺杂纳米Ti02膜不是介孔膜。本实施例制备的是碳掺杂的介孔膜，其孔参 数列在表1。表1对比制备的碳掺杂介孔TiA膜和普通TiA膜的比表面积和孔容、孔径
权利要求
1.一种制备碳掺杂介孔打02膜的方法，其特征在于所述方法包括以葡萄糖作为结构成 型剂，同时加入的葡萄糖作为碳掺杂源，采用溶胶-凝胶联合水热处理方法一步制备碳掺 杂介孔TiO2膜的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法具体按照如下步骤进行(1)以Ti(OBu)4为原料通过溶液-凝胶法形成纯TW2纳米粉末；(2)以质量比为1 1 4 1的纯TiO2纳米粉末和葡萄糖为原料，采用溶胶-凝胶 联合水热处理方法在载体上一步成膜。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述步骤O)中载体选自平整玻璃、石英片。
全文摘要
本发明公开了一种制备碳掺杂介孔TiO2膜的方法，其特征在于所述方法包括以葡萄糖作为结构成型剂，同时加入的葡萄糖也作为碳掺杂源，采用溶胶-凝胶联合水热处理方法一步制备碳掺杂介孔TiO2膜的步骤。该方法中介孔膜的形成和催化剂的掺杂修饰一步完成，制备过程不产生有毒物质，具有绿色环保、简单、高效的优点。
文档编号C02F1/30GK102125824SQ201010569038
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月2日 优先权日2010年12月2日
发明者付德刚, 戎非, 林晓霞 申请人:东南大学