一种具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂及其制备方法，其中所述催化剂由二氧化钛纳米带和在二氧化钛纳米带上液相生长的氧化铈纳米颗粒构成，二氧化钛纳米带的宽度为50-200nm，厚度为20-40nm，氧化铈纳米颗粒的直径为6±2nm，是利用共沉淀法和水热法制得。本发明工艺简单、成本低，所得到的光催化剂材料具有比较大的比表面积，容易捕捉污染物分子，显著抑制光生电子空穴的复合，提高了材料的紫外-可见光催化性能。

权利要求

1.一种具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂，所述催化剂由二氧化钛纳米带和在二氧化钛纳米带上液相生长的氧化铈纳米颗粒构成，其制备步骤是：(1)将硝酸铈和二氧化钛纳米带混合，充分溶解于去离子水中形成透明溶液；

(2)将氨水滴加到透明溶液中，调节溶液pH值至pH＝10±0.1，并磁力搅拌1±0.1小时，然后将搅拌后的溶液置于水热反应釜内100℃±1℃下反应48±2小时；

(3)过滤步骤(2)中反应后的溶液，将生成的沉淀物用去离子水洗涤，然后将分离到的沉淀物置80℃±1℃保温12±2小时；

(4)将保温处理后的沉淀物置550℃±10℃条件下退火2±0.2小时，即得具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂；

其中：所述二氧化钛纳米带的宽度为50-200nm，厚度为20-40nm；

其特征在于：所述硝酸铈和二氧化钛纳米带混合的摩尔比为2:10；所述在二氧化钛纳米带上液相生长的氧化铈纳米颗粒的直径为6±2nm。

说明书

一种具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面

异质结构光催化剂及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光催化材料及其表面改性方法，特别涉及一种具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂以及该催化剂的制备方法，属于光催化材料及其制备的技术领域。

背景技术

[0002] 在全球性环境污染日趋严重的今天，如何高效治理环境污染引起世界各国的广泛关注。而二氧化钛作为一种性能稳定的高效光催化剂，具有价格低廉，化学性质稳定，无毒无腐蚀等优点，使其成为目前研究最为深入和广泛的半导体材料之一。但粉末状纳米二氧化钛在使用过程中存在着分离和回收的困难，限制了光催化技术的实际应用，而一维二氧化钛纳米带可以克服上述缺点，日益成为研究的热点。但由于二氧化钛纳米带禁带宽度较宽（3.2eV），只能利用紫外光，而紫外光只占到太阳光总能量的5%，对太阳光的利用率很低。因此，拓展二氧化钛纳米带的光响应光谱范围从紫外光光区到可见光光区，已成为增强二氧化钛纳米带光催化效应所面临和需要解决的问题。

[0003] 氧化铈是一种能被可见光激发的半导体材料，禁带宽度为2.7eV，无毒并且成本低，受到广泛的研究。因此在二氧化钛纳米带表面负载可见光催化剂，如氧化铈，既可以降低光生电子空穴的复合，也能拓展可将光催化响应，是一种有效的增强紫外及可见光催化效应的技术途径。然而迄今为止，对于氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂的制备及光催化应用还未见报道。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种具有捕捉-催化性能氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂及其制备方法。

[0005] 本发明所述具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂，其特征在于：所述催化剂由二氧化钛纳米带和在二氧化钛纳米带上液相生长的氧化铈纳米颗粒构成，其中所述二氧化钛纳米带的宽度为50-200nm，厚度为20-40nm，所述在二氧化钛纳米带上液相生长的氧化铈纳米颗粒的直径为6±2nm。

[0006] 上述具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂的制备方法，步骤是：

[0007] （1）将摩尔比为1:10-10:1的硝酸铈和二氧化钛纳米带混合，充分溶解于去离子水中形成透明溶液；

[0008] （2）将氨水滴加到透明溶液中，调节溶液pH值至pH=10±0.1，并磁力搅拌1±0.1小时，然后将搅拌后的溶液置于水热反应釜内100°C±1°C下反应48±2小时；

[0009] （3）过滤步骤（2）中反应后的溶液，将生成的沉淀物用去离子水洗涤，然后将分离到的沉淀物置80°C±1°C保温12±2小时；

[0010] （4）将保温处理后的沉淀物置550°C±10°C条件下退火2±0.2小时，即得具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂。

[0011] 上述具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂的制备方法中：所述硝酸铈和二氧化钛纳米带混合的摩尔比优选为2:10。

[0012] 本发明利用共沉淀法和水热法得到氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂，该光催化剂具有比表面积大，容易捕捉污染物分子，可以有效抑制光生电子空穴的复合和利用紫外及可见光，有效提高太阳光的利用率，从而具有显著的光催化增强效应。实验检测知本发明所述光催化制备方法得到二氧化钛纳米带表面氧化铈纳米结构分布有6纳米左右，二氧化铈纳米颗粒的存在显著提高了对污染物分子的捕捉。

[0013] 本发明利用共沉淀法和水热法，在二氧化钛纳米带表面负载氧化铈纳米颗粒，方法简单，成本低，制备的具有捕捉-催化性能氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构比表面积大，易于捕捉污染物分子，有利于紫外及可见光的吸收，显著抑制光生电子空穴的复合，从而大大提高了材料的光催化性能。

附图说明

[0014] 图1为本发明实施例2制备的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构的低倍透射电镜（TEM）像（图a）、高分辨透射电镜（HRTEM）像（图b）和选取电子衍射像（图b插图）。

[0015] 图2为本发明实施例2制备的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构和单一结构氧化铈纳米颗粒、二氧化钛纳米带、P25对甲基橙溶液的光催化降解率-时间的变化曲线。

具体实施方式

[0016] 下面结合实施例对本发明做进一步详细、完整地说明，但并不限制本发明的内容。

[0017] 实施例1

[0018] 将摩尔比为1:10的硝酸铈和二氧化钛纳米带混合，充分溶解于去离子水中形成透明溶液，将氨水滴加到透明溶液中，调节溶液pH值到10，并磁力搅拌1小时，然后将搅拌后的溶液置于水热反应釜内100°C下反应48小时，过滤反应后的溶液，将生成的沉淀物用去离子水洗涤，然后将分离到的沉淀物置80°C保温12小时，将保温处理后的沉淀物置550°C条件下退火2小时，即得具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂，其中所述二氧化钛纳米带的宽度为50-200nm，厚度为20-40nm，所述在二氧化钛纳米带上液相生长的氧化铈纳米颗粒的直径为6±2nm。

[0019] 实施例2

[0020] 将摩尔比为2:10的硝酸铈和二氧化钛纳米带混合，充分溶解于去离子水中形成透明溶液，将氨水滴加到透明溶液中，调节溶液pH值到10，并磁力搅拌1小时，然后将搅拌后的溶液置于水热反应釜内100°C下反应48小时，过滤反应后的溶液，将生成的沉淀物用去离子水洗涤，然后将分离到的沉淀物置80°C保温12小时，将保温处理后的沉淀物置550°C条件下退火2小时，即得具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂，其中所述二氧化钛纳米带的宽度为50-200nm，厚度为20-40nm，所述在二氧化钛纳米带上液相生长的氧化铈纳米颗粒的直径为6±2nm。

[0021] 上述所得氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构的TEM，HRTEM，和选取电子衍射图如图 1所示，证明了氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构的形成。图2为所得氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构的光催化降解率-时间的变化曲线。结果表明，与单一结构的氧化铈纳米颗粒、二氧化钛纳米带、P25相比，氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构在紫外与可见光下对甲基橙具有更高的光催化效率。首先污染物分子很容易被氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构捕捉，然后在紫外或可见光下降解，最后以二氧化碳和水的形式释放到外界环境中。

[0022] 实施例3

[0023] 将摩尔比为1:1的硝酸铈和二氧化钛纳米带混合，充分溶解于去离子水中形成透明溶液，将氨水滴加到透明溶液中，调节溶液pH值到10，并磁力搅拌1小时，然后将搅拌后的溶液置于水热反应釜内100°C下反应48小时，过滤反应后的溶液，将生成的沉淀物用去离子水洗涤，然后将分离到的沉淀物置80°C保温12小时，将保温处理后的沉淀物置550°C条件下退火2小时，即得具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂，其中所述二氧化钛纳米带的宽度为50-200nm，厚度为20-40nm，所述在二氧化钛纳米带上液相生长的氧化铈纳米颗粒的直径为6±2nm。

[0024] 实施例4

[0025] 将摩尔比为10:2的硝酸铈和二氧化钛纳米带混合，充分溶解于去离子水中形成透明溶液，将氨水滴加到透明溶液中，调节溶液pH值到10，并磁力搅拌1小时，然后将搅拌后的溶液置于水热反应釜内100°C下反应48小时，过滤反应后的溶液，将生成的沉淀物用去离子水洗涤，然后将分离到的沉淀物置80°C保温12小时，将保温处理后的沉淀物置550°C条件下退火2小时，即得具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂。

[0026] 其中所述二氧化钛纳米带的宽度为50-200nm，厚度为20-40nm，所述在二氧化钛纳米带上液相生长的氧化铈纳米颗粒的直径为6±2nm。

[0027] 实施例5

[0028] 将摩尔比为10:1的硝酸铈和二氧化钛纳米带混合，充分溶解于去离子水中形成透明溶液，将氨水滴加到透明溶液中，调节溶液pH值到10，并磁力搅拌1小时，然后将搅拌后的溶液置于水热反应釜内100°C下反应48小时，过滤反应后的溶液，将生成的沉淀物用去离子水洗涤，然后将分离到的沉淀物置80°C保温12小时，将保温处理后的沉淀物置550°C条件下退火2小时，即得具有捕捉-催化性能的氧化铈/二氧化钛纳米带表面异质结构光催化剂，其中所述二氧化钛纳米带的宽度为50-200nm，厚度为20-40nm，所述在二氧化钛纳米带上液相生长的氧化铈纳米颗粒的直径为6±2nm。