一种二氧化钛量子点光触媒及其制备方法和应用

1.本发明属于二氧化钛量子点光触媒的合成领域，具体涉及一种二氧化钛量子点光触媒及其制备方法和应用。


背景技术：

2.因为低成本、高效、安全的优点，光催化技术被认为是治理环境污染的理想手段。tio2因其高化学稳定性以及优异的催化降解性能而被广泛应用的光触媒。然而，由于目前商业tio2的颗粒较大，在水中的分散性较差，难以在玻璃及室内家具上形成均匀的薄膜。同时，较大的颗粒会抑制光生载流子的分离，降低光催化分解性能。制备小尺寸光催化材料，即光触媒的纳米化，能够暴露表面反应活性位点、缩短电子迁移距离，降低电子空穴对的复合效率。此外，光触媒的纳米化能够增加比表面积，有利于挥发性有机分子在光触媒表面的富集，进一步提高光催化活性。
3.通常情况下，锐钛矿相tio2具有比金红石相更高的催化性能，目前常规的制备方法为先得到金红石相tio2再经过高温煅烧(大于500℃)最终得到锐钛矿相tio2。然而，高温煅烧会造成tio2颗粒的团聚长大，表面羟基基团的去除，不利于光催化性能的提高，同时也会造成能源的浪费。溶胶-凝胶法是制备粒径均匀tio2的有效手段，然而目前溶胶-凝胶法制备的tio2的粒径通常较大(约为30～80nm)，不利于电子-空穴对的分离以及表面有机分子的富集。此外，表面羟基浓度对tio2光触媒催化性能的影响尚未报道。由以上可见目前对于溶胶-凝胶法制备的tio2材料还存在颗粒较大、光催化性能不足以及对表面羟基浓度研究较少的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种二氧化钛量子点光触媒及其制备方法和应用，具体采用以下的技术方案：
5.一种二氧化钛量子点光触媒的制备方法，包括以下步骤：将冰醋酸溶液、硝酸溶液依次加入水中，搅拌均匀后，一边搅拌一边匀速滴加钛酸四异丙酯溶液或钛酸正丁酯溶液，随后滴加碳酸钠溶液调节ph至0.7-4，最后在40-80℃的条件下水浴加热5-20h，得到二氧化钛量子点水溶胶，即所述二氧化钛量子点光触媒。
6.上述制备方法包括采用低温溶胶-凝胶法，改变钛前驱体的浓度以及溶液ph实现tio2量子点浓度、表面羟基浓度与颗粒粒径的调控。
7.优选地，在上述制备方法中，冰醋酸溶液的体积分数为10-25％，硝酸溶液的质量分数为1-5％，钛酸四异丙酯溶液或钛酸正丁酯溶液的体积分数为3-5％，碳酸钠溶液的质量分数为5-40wt％。
8.优选地，在上述制备方法中，水：冰醋酸溶液：硝酸溶液：钛酸四异丙酯溶液或钛酸正丁酯溶液＝100-500ml：10-50ml：1-5ml：3-15ml。
9.根据上述制备方法制得的二氧化钛量子点光触媒，属于锐钛矿相，其表面富含羟
基基团，粒径均匀，且粒径为3-10nm，达到了量子级。这种粒径均匀的量子级tio2能够增加比表面积，暴露更多的光催化反应位点，增加污染物分子的吸附，提高载流子分离效率，进而提高光催化性能。其甲基橙光降解速率常数是传统溶胶-凝胶法样品的5.67倍。量子点级tio2光触媒在玻璃及室内家具上具有很好的成膜性，可应用于室内挥发性气体以及污水中有机物的去除。
10.本发明的有益效果为：本发明解决了商业tio2以及传统溶胶-凝胶法制备tio2颗粒尺寸较大的问题。同时，量子级锐钛矿相光触媒结构能够暴露更多的光催化反应位点，增加污染物分子的吸附；此外，量子级尺度能够缩短载流子的迁移距离，提高载流子分离效率，提高光催化性能。其在玻璃及室内家具上具有很好的成膜性，可应用于室内挥发性气体以及污水中有机物的去除。
附图说明
11.图1所示为本发明制备的量子级tio2的透射电镜照片；
12.图2所示为本发明制备的量子级tio2的x射线衍射图谱；
13.图3所示为本发明制备的量子级tio2和传统煅烧得到的tio2降解15mg/l甲基橙染料的光催化性能图；
14.图4所示为本发明制备的量子级tio2和传统煅烧得到的tio2的光催化降解速率图。
具体实施方式
15.以下将结合实施例和附图对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。
16.实施例1：
17.一种二氧化钛量子点光触媒的制备方法，包括以下步骤：
18.取100ml水、10ml冰醋酸溶液(体积分数10％)、1ml hno3溶液(体积分数1％)，依次加入至200ml烧杯中，磁力搅拌均匀。向混合溶液中匀速逐滴滴加tip(钛酸四异丙酯)溶液3ml(体积分数3％)，继续磁力搅拌；滴加完毕后，向混合溶液滴加质量分数为10％wt的na2co3溶液，调节混合溶液ph为4。将混合溶液转移到80℃水浴锅中，水浴加热8h得到tio2量子点水溶胶。
19.实施例2：
20.一种二氧化钛量子点光触媒的制备方法，包括以下步骤：
21.取200ml水、40ml冰醋酸溶液(体积分数20％)、4ml hno3溶液(体积分数2％)，依次加入至500ml烧杯中，磁力搅拌均匀。向混合溶液中匀速逐滴滴加tip溶液8ml(体积分数4％)，继续磁力搅拌；滴加完毕后，向混合溶液滴加质量分数为20％wt的na2co3溶液，调节混合溶液ph为3.5。将混合溶液转移到60℃水浴锅中，水浴加热10h得到tio2量子点水溶胶。
22.实施例3：
23.检测实验：
24.(1)对实施例1制备的量子级tio2进行检测，结果如图1-2所示。图1为实施例1制备的量子级tio2的透射电镜照片，通过透射电镜照片可以看到tio2的尺寸约为5-8纳米。图2为实施例1制备的量子级tio2的x射线衍射图谱，图谱表明tio2为锐钛矿相。
25.(2)染料的配制：选择甲基橙为目标染料分子，称取10mg甲基橙溶解在1000ml去离子水中，超声分散60min，得到分散均匀的甲基橙溶液。通过分光光度计检测甲基橙溶液的吸光度为a0；
26.光催化测试过程：称取20mg实施例1制得的tio2量子点，加入蝶型磁力搅拌子以及60ml 10mg/l的甲基橙溶液，超声分散10s，使tio2量子点均匀分散到甲基橙溶液中。打开循环水冷却以及磁力搅拌，首先在黑暗条件下让光催化剂对染料进行吸附，1小时达到吸附平衡。然后，打开汞灯进行光催化测试，每15min取一次反应液，测试吸光度，以此来对tio2量子点的光催化性能进行评估。
27.其结果如图3所示，从图中可以看到经过45分钟紫外光的照射，甲基橙分子的去除率达到100％；从插图中的光学照片可以看到经过光催化反应后，橙色溶液已经变为无色，直接表明甲基橙分子被去除。从图4所示的光催化降解速率图可知，量子级tio2的降解速率为0.085min-1
，而传统煅烧得到的tio2(传统溶胶-凝胶法得到的是金红石相，需煅烧得到锐钛矿相tio2)的降解速率为0.015min-1
，即量子级tio2的降解速率是传统煅烧tio2的5.67倍。优异的光催化降解性能主要来源于量子级tio2具有大的比表面积，能够使染料分子在催化剂表面富集，暴露更多的反应活性位点，加快催化反应。
28.以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。