專利名稱：一種N摻雜納米TiO<sub>2</sub>及其沖擊波制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種N摻雜納米TiO2及其沖擊波制備方法，屬于材料處理及組合技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
TiO2具有廉價(jià)、無毒、氧化還原能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在用作光催化劑降解環(huán)境中的各種難降解污染物時(shí)，具有氧化性強(qiáng)、污染物礦化安全、無二次污染等方面的特點(diǎn)。但由于其禁帶寬度較大，對應(yīng)的本征光吸收均在紫外區(qū)(入< 420nm)，這極大的限制了 TiO2對太陽光能的有效利用。因此，研制具有可見光吸收活性的納米TiO2光催化劑，對于充分利用太陽光來廉價(jià)、大量的分解水制氫和有效降解多種環(huán)境污染物具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 元素?fù)诫s是實(shí)現(xiàn)對TiO2的可見光吸收性能提高的主要方式，包括金屬、非金屬等多種摻雜形式，其中對TiO2進(jìn)行非金屬元素?fù)诫s是提高其可見光響應(yīng)能力的主要研究方向。實(shí)現(xiàn)二氧化鈦元素?fù)诫s的方法很多，近年來對二氧化鈦元素?fù)诫s的方法已經(jīng)由導(dǎo)體復(fù)合及燃料光敏化、濺射法、粉體氮化法發(fā)展到機(jī)械化學(xué)法、溶劑熱化學(xué)法、離子注入法、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法、水解法、噴射高溫?zé)岱纸夥ǖ榷喾N方法。但目前常規(guī)摻雜方法的元素?fù)饺肓枯^低，難以大范圍拓展其對可見光的高效吸收。因此需要一種高比表面積、高濃度N元素?fù)诫s的TiO2,以及提高TiO2的N元素?fù)诫s和比表面積的制備方法，實(shí)現(xiàn)TiO2良好的可見光吸收性質(zhì)和可見光催化活性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供了一種N摻雜納米TiO2,所述N摻雜納米TiO2實(shí)現(xiàn)了較高濃度的N元素?fù)诫s、良好的可見光吸收性質(zhì)以及較高的比表面積，從而具有良好的可見光催化活性。本發(fā)明的目的之二在于提供了一種N摻雜納米TiO2的沖擊波制備方法，所述方法利用爆炸沖擊波制備得到N摻雜納米TiO2。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種N摻雜納米TiO2，所述N摻雜納米TiO2的N摻雜濃度為2. 7 4%。所述N摻雜納米TiO2的粒徑為5 20nm。所述N摻雜納米TiO2的比表面積為98 355m2/g。一種本發(fā)明所述的N摻雜納米TiO2的沖擊波制備方法，所述方法過程如下步驟一、將偏鈦酸(H2TiO3)和雙氰氨(C2N4H4)均勻混合后，機(jī)械球磨10 15min，得到混合粉體；其中，偏鈦酸的質(zhì)量雙氰氨的質(zhì)量=7 8 : 3 2;步驟二、將混合粉體壓成初坯，初坯致密度為45% 55% ;其中，致密度=初坯的壓實(shí)密度/粉體本身的密度；步驟三、用速度為2. 0 3. Okm/s的飛片撞擊初坯誘發(fā)反應(yīng)，得到N摻雜納米TiO2;其中，優(yōu)選用炸藥爆轟驅(qū)動的飛片撞擊初坯誘發(fā)反應(yīng)，得到N摻雜納米Ti02。有益效果I.本發(fā)明所述的一種N摻雜納米TiO2，粒徑為5 20nm，比表面積為98 355m2/g，N摻雜濃度為2. 7 4%，且具有較好的可見光催化活性。2.本發(fā)明所述的一種N摻雜納米TiO2的沖擊波制備方法，將反應(yīng)物混合得到粉體初坯，利用炸藥爆轟驅(qū)動飛片高速撞擊產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓，H2TiO3會發(fā)生分解反應(yīng)H2TiO3 — Ti02+H20,利用沖擊下的脫水膨脹作用，生成高比表面積的納米TiO2 ;摻雜氮源C2N4H4在沖擊波作用下分解，釋放的N原子在TiO2形成過程中同步摻入TiO2晶格中，從而得到N摻雜納米TiO2，此方法成本低廉，工藝過程簡單，在極短的時(shí)間內(nèi)即可完成。
圖I為本發(fā)明實(shí)施例所述的利用沖擊波制備N摻雜納米TiO2的裝置示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例制備得到的N摻雜納米TiO2的X射線衍射(XRD)圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例制備得到的N摻雜納米TiO2的透射電鏡(TEM)圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例制備得到的N摻雜納米TiO2的紫外-可見吸收光譜(UV-vis)圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例制備得到的N摻雜納米TiO2在可見光下降解亞甲基藍(lán)(MB)的曲線圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例制備得到的N摻雜納米TiO2在可見光下降解羅丹明B (RB)的曲線圖；其中1_雷管；2_傳爆藥柱；3_炸藥；4-飛片；5-支架；6_樣品盒；7-初坯；8-塞子。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例來詳細(xì)描述本發(fā)明。實(shí)施例I一種N摻雜納米TiO2的沖擊波制備方法，所述方法過程如下步驟一、將偏鈦酸(H2TiO3)和雙氰氨(C2N4H4)均勻混合后，機(jī)械球磨lOmin，得到混合粉體；其中，偏鈦酸的質(zhì)量雙氰氨的質(zhì)量=4 I ；步驟二、將混合粉體壓成初還,初還致密度為55% ；步驟三、用炸藥爆轟驅(qū)動的飛片撞擊初坯，利用沖擊產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓誘發(fā)反應(yīng)，得到N摻雜納米TiO2 ；其中，如圖I所示，利用沖擊波制備N摻雜納米TiO2的裝置包括飛片驅(qū)動單元、樣品盒單元和支架5 ;其中飛片驅(qū)動單元包括雷管I、傳爆藥柱2、炸藥3和飛片4 ;樣品盒單元包括樣品盒6和塞子7 ;在飛片驅(qū)動單元中，從下往上依次為飛片4、炸藥3、傳爆藥柱2、雷管I，其中飛片4與炸藥3緊密接觸，傳爆藥柱2插于炸藥3中，在傳爆藥柱2上設(shè)有雷管I ;樣品盒單元中，在樣品盒6的下部開口，塞子8位于開口內(nèi)；通過支架5將飛片驅(qū)動單元、安裝在樣品盒單元上方；飛片4材料為不銹鋼；炸藥3為硝基甲烷液體炸藥；傳爆藥柱2為黑索金，代號為8701 ；具體過程為將壓制好的初坯7裝入樣品盒6中，用塞子對初坯7進(jìn)行固定，樣品盒6和塞子8均與初坯7緊密接觸；在支架5上安裝飛片驅(qū)動單元；點(diǎn)燃雷管1，雷管I通過傳爆藥柱2引爆炸藥3，用炸藥3爆轟驅(qū)動的飛片4撞擊裝有初坯7的樣品盒6，引發(fā)偏鈦酸和雙氰氨反應(yīng)，得到最終產(chǎn)物；其中，飛片速度通過如下已知公式計(jì)算M腿=D I--(V+ 2 7 -1)；
L I_
16m 16 p JS 16/ J式中= 5~H~其中Pm為飛片密度，d為飛片厚度，由此可知
TlM 21 pMdS TH pMd
飛片極限速度最終與炸藥密度P O、裝藥高度I、爆轟速度D、飛片密度P M及飛片厚度d有關(guān)；其中 P M = 7. 85km/s, d = 2mm, pq=1. 14g/cm3, I = 110mm, D = 6300km/s,飛片在飛行過程中的速度損失忽略不計(jì)，計(jì)算得知飛片撞擊樣品盒和初坯的速度為2. 74km/s ；對實(shí)施例I的最終產(chǎn)物進(jìn)行表征，其中圖2中的曲線a為實(shí)施例I最終產(chǎn)物的XRD圖，曲線c為純銳鈦礦相TiO2，通過將曲線a和曲線c比較，得知最終產(chǎn)物中沒有雙氰胺等雜質(zhì)的衍射峰，為純銳鈦礦相TiO2 ;圖3中的a為實(shí)施例I最終產(chǎn)物的TEM圖，得知最終產(chǎn)物的粒徑為5 20nm ;通過氮吸附比表面積測試(BET)得知實(shí)施例I最終產(chǎn)物的比表面積為98. 96m2/g;通過X射線光電子能譜(XPS)激發(fā)得到的N元素的Is峰，得知實(shí)施例I最終產(chǎn)物的N摻雜濃度為2. 72%，說明最終產(chǎn)物為N摻雜納米TiO2 ;圖4中曲線a為實(shí)施例I最終產(chǎn)物的UV-vis圖，說明最終產(chǎn)物在400-800nm的波長范圍內(nèi)具有寬譜吸收，具有明顯的可見光吸收活性；圖5中的曲線a為實(shí)施例I最終產(chǎn)物在可見光下降解亞甲基藍(lán)(MB)曲線圖，通過染料降解結(jié)束時(shí)的吸光度/染料降解前的吸光度(AAci)得到最終產(chǎn)物對MB的降解率為0. 71 ;圖6中的曲線a為實(shí)施例I最終產(chǎn)物在可見光下降解羅丹明B(RB)曲線圖，通過AAtl得到最終產(chǎn)物對RB的降解率為0. 82，說明最終產(chǎn)物有良好的光催化降解染料活性。實(shí)施例2一種N摻雜納米TiO2的沖擊波制備方法，所述方法過程如下步驟一、將偏鈦酸(H2TiO3)和雙氰氨(C2N4H4)均勻混合后，機(jī)械球磨lOmin，得到混合粉體；其中，偏鈦酸的質(zhì)量雙氰氨的質(zhì)量=7 13；步驟二、將混合粉體壓成初還,初還致密度為45% ；步驟三、用炸藥爆轟驅(qū)動的飛片撞擊初坯，利用沖擊產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓誘發(fā)反應(yīng)，得到N摻雜納米TiO2 ；利用沖擊波制備N摻雜納米TiO2的裝置與實(shí)施例I相同；具體過程為將壓制好的初坯7裝入樣品盒6中，用塞子對初坯7進(jìn)行固定，樣品盒6和塞子8均與初坯7緊密接觸；在支架5上安裝飛片驅(qū)動單元；點(diǎn)燃雷管1，雷管I通過傳爆藥柱2引爆炸藥3，用炸藥3爆轟驅(qū)動的飛片4撞擊裝有初坯7的樣品盒6，引發(fā)偏鈦酸和雙氰氨反應(yīng)，得到最終產(chǎn)物；
其中，飛片速度通過如下已知公式計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種N摻雜納米TiO2，其特征在于所述N摻雜納米TiOdAN摻雜濃度為2.7 4%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種N摻雜納米TiO2，其特征在于所述N摻雜納米TiO2的粒徑為5 20nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種N摻雜納米TiO2，其特征在于所述N摻雜納米TiO2的比表面積為98 355m2/g。
4.一種如權(quán)利要求I至3中任一權(quán)利要求所述的N摻雜納米TiO2的沖擊波制備方法，其特征在于所述方法過程如下 步驟一、將偏鈦酸和雙氰氨均勻混合后，機(jī)械球磨10 15min，得到混合粉體； 其中，偏鈦酸的質(zhì)量雙氰氨的質(zhì)量=7 8 3 2 ; 步驟二、將混合粉體壓成初坯，初坯致密度為45 % 55% ; 步驟三、用速度為2. O 3. Okm/s的飛片撞擊初坯誘發(fā)反應(yīng)，得到N摻雜納米Ti02。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種N摻雜納米TiO2的沖擊波制備方法，其特征在于步驟三中用炸藥爆轟驅(qū)動的飛片撞擊初坯誘發(fā)反應(yīng)，得到N摻雜納米Ti02。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種N摻雜納米TiO2及其沖擊波制備方法，屬于材料處理及組合技術(shù)領(lǐng)域。所述N摻雜納米TiO2的粒徑為5～20nm，比表面積為98～355m2/g，N摻雜濃度為2.7～4％。所述制備方法是將偏鈦酸和雙氰氨混合得到粉體初坯，利用驅(qū)動飛片高速撞擊產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓使偏鈦酸發(fā)生分解反應(yīng)H2TiO3→TiO2+H2O，同時(shí)摻雜氮源C2N4H4在沖擊波作用下分解，釋放的N原子在TiO2形成過程中同步摻入TiO2晶格中，從而得到N摻雜納米TiO2；所述N摻雜納米TiO2粒徑小、比表面積大、N摻雜濃度高，且具有較好的可見光催化活性；所述制備方法成本低廉、工藝過程簡單、在短的時(shí)間內(nèi)即可完成。
文檔編號B01J21/06GK102631908SQ20121010041
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者劉建軍, 崔乃夫, 陳鵬萬, 高翔 申請人:北京理工大學(xué)