Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂及其制备方法技术领域
本发明涉及一种光催化剂及其制备方法。
背景技术
光催化技术对于解决日益严重的能源危机和环境污染问题具有广阔的应用前景。
纳米TiO2是目前公认的最具应用前景的半导体光催化材料。在TiO2的三种晶相结构(板钛
矿、锐钛矿、金红石)中，锐钛矿相光催化活性最高。然而，锐钛矿纳米TiO2光生e-/h+复合率
高，量子效率低；锐钛矿相是亚稳态，热处理时容易转变为热力学稳定的金红石相，导致光
催化活性降低。基于金属和非金属离子表面修饰的协同作用进一步提高纳米TiO2光催化活
性的研究报道很多，但新型高性能TiO2纳米复合光催化材料的开发仍然面临如下技术难
题：如高效共掺杂剂的选择、共掺杂剂的配伍、共掺杂改性技术、相结构控制、半导体带隙调
控、表面结构及缺陷控制等影响光催化性能的诸多重要因素的协同控制。
发明内容
本发明是要解决锐钛矿纳米TiO2光生e-/h+复合率高、量子效率低的技术问题，提
供了一种Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂及其制备方法。
Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂为均一的锐钛矿相，平均粒径为13.4nm，比表面积为
126.5m2·g-1。
Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂制备方法如下：
一、在冰水冷却搅拌下，将1mL～10mL四氯化钛滴加到1mL～20mL蒸馏水中，得到淡
黄色TiCl4溶液；
二、将0.1g～10g氟化铵溶于1mL～10mL蒸馏水中，得到氟化铵溶液；
三、在室温磁力搅拌下，向TiCl4溶液中滴加浓度为0.0001mol/L～2mol/L的五氯
化钽醇溶液，加入0.05mL～10mL浓度为0.1mol/L～10mol/L磷酸溶液和步骤二得到的氟化
铵溶液，再加入1mL～30mL蒸馏水，连续搅拌0.5h～5h，得到无色透明溶胶，其中五氯化钽与
TiO2质量比为0.001％～20％；
四、将无色透明溶胶转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，将釜盖旋紧密封
后置于烘箱中，在90℃～220℃水热反应0.5h～24h后，冷却至室温，用蒸馏水进行抽滤洗
涤，然后将滤饼转移到蒸发皿中放入真空干燥箱于80℃～150℃干燥1h～48h，即得Ta-F-P-
TiO2纳米光催化剂。
以4-氯酚(4-CP)水溶液在模拟太阳光(500W氙灯)照射下的光催化降解来评价Ta-
F-P-TiO2纳米光催化剂光活性。在模拟太阳光照射下，40mg的Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂对
100mL初始浓度为20mg·L-1的4-CP水溶液的光催化降解一级反应表观速率常数为Kapp＝
6.39×10–2min–1，约为商品P25TiO2(Kapp＝7.11×10–3min–1)的9倍。本发明强烈抑制了纳米
TiO2锐钛矿向金红石相转变，强烈抑制了光生e-/h+复合，显著提高了纳米TiO2光催化降解
环境污染物效能，可以利用Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂在太阳光照射下实现环境污染的高
效治理，其实用性能大幅度提升。
附图说明
图1是实验一中所得Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂的XRD图；
图2是实验一中所得Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂的BET分析图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的
任意组合。
具体实施方式一：本实施方式所述Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂为均一的锐钛矿相，
平均粒径为13.4nm，比表面积为126.5m2·g-1。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂的制备方法
如下：
一、在冰水冷却搅拌下，将1mL～10mL四氯化钛滴加到1mL～20mL蒸馏水中，得到淡
黄色TiCl4溶液；
二、将0.1g～10g氟化铵溶于1mL～10mL蒸馏水中，得到氟化铵溶液；
三、在室温磁力搅拌下，向TiCl4溶液中滴加浓度为0.0001mol/L～2mol/L的五氯
化钽醇溶液，加入0.05mL～10mL浓度为0.1mol/L～10mol/L磷酸溶液和步骤二得到的氟化
铵溶液，再加入1mL～30mL蒸馏水，连续搅拌0.5h～5h，得到无色透明溶胶，其中五氯化钽与
TiO2质量比为0.001％～20％；
四、将无色透明溶胶转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，将釜盖旋紧密封
后置于烘箱中，在90℃～220℃水热反应0.5h～24h后，冷却至室温，用蒸馏水进行抽滤洗
涤，然后将滤饼转移到蒸发皿中放入真空干燥箱于80℃～150℃干燥1h～48h，即得Ta-F-P-
TiO2纳米光催化剂。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一中在冰水冷却搅
拌下，将4mL四氯化钛滴加到10mL蒸馏水中，得到淡黄色TiCl4溶液。其他与具体实施方式二
相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤三中向TiCl4
溶液中滴加浓度为0.0016mol/L的五氯化钽醇溶液。其他与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是步骤三中所述
五氯化钽醇溶液的制备方法如下：
将0.0001g～2g五氯化钽溶于1mL～10mL无水乙醇中，即得五氯化钽醇溶液。其他
与具体实施方式二至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是步骤三中所述
五氯化钽醇溶液的制备方法如下：
将0.0029g五氯化钽溶于5mL无水乙醇中，即得五氯化钽醇溶液。其他与具体实施
方式二至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是步骤三中向
TiCl4溶液中滴加浓度为0.0016mol/L的五氯化钽醇溶液。其他与具体实施方式二至六之一
相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是步骤三中五氯
化钽与TiO2质量比为0.05％。其他与具体实施方式二至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是步骤四中在
160℃水热反应3h后，冷却至室温。其他与具体实施方式二至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二至九之一不同的是步骤四中将滤
饼转移到蒸发皿中放入真空干燥箱于110℃干燥24h。其他与具体实施方式二至九之一相
同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式二至十之一不同的是步骤二中将
0.1134g氟化铵溶于5mL蒸馏水中，得到氟化铵溶液。其他与具体实施方式二至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式二至十一之一不同的是步骤三中
加入0.3mL浓度为2.92mol/L磷酸溶液。其他与具体实施方式二至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式二至十二之一不同的是步骤三中
再加入15.5mL蒸馏水，连续搅拌2h，得到无色透明溶胶。其他与具体实施方式二至十二之一
相同。
采用下述实验验证本发明效果：
实验一：
Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂的制备方法如下：
一、在冰水冷却搅拌下，将4mL四氯化钛滴加到10mL蒸馏水中，得到淡黄色TiCl4溶
液；
二、将0.1134氟化铵溶于5mL蒸馏水中，得到氟化铵溶液；
三、在室温磁力搅拌下，向TiCl4溶液中滴加浓度为0.0029mol/L的五氯化钽醇溶
液，加入0.3mL浓度为2.92mol/L磷酸溶液和步骤二得到的氟化铵溶液，再加入15.5mL蒸馏
水，连续搅拌2h，得到无色透明溶胶，
其中五氯化钽与TiO2质量比为0.05％；
四、将无色透明溶胶转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，将釜盖旋紧密封
后置于烘箱中，在160℃水热反应3h后，冷却至室温，用蒸馏水进行抽滤洗涤，然后将滤饼转
移到蒸发皿中放入真空干燥箱于110℃干燥24h，即得Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂。
所得Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂呈白色，为均一的锐钛矿相，平均粒径为13.4nm，
BET比表面积为126.5m2·g-1。
以4-氯酚(4-CP)水溶液在模拟太阳光(500W氙灯)照射下的光催化降解来评价样
品光活性。在模拟太阳光照射下，40mg的Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂对100mL初始浓度为
20mg·L-1的4-CP水溶液的光催化降解一级反应表观速率常数为Kapp＝6.39×10–2min–1，约
为商品P25TiO2(Kapp＝7.11×10–3min–1)的9倍。本发明强烈抑制了纳米TiO2锐钛矿向金红石
相转变，强烈抑制了光生e-/h+复合，显著提高了纳米TiO2光催化降解环境污染物效能，可以
利用Ta-F-P-TiO2纳米光催化剂在太阳光照射下实现环境污染的高效治理，其实用性能大
幅度提升。