阅读说明：本技术 一种用过渡金属离子调控K2Ti4O9带隙的制备方法及光催化应用 (K regulation and control by transition metal ions2Ti4O9Preparation method of band gap and photocatalytic application ) 是由 邓昭平 马艳林 吴宇航 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用过渡金属离子调控K-(2)Ti-(4)O-(9)带隙的制备方法及光催化应用,属于光催化降解领域。所述制备方法为：将TiO-(2)和K-(2)CO-(3)混合球磨后在空气气氛中加热反应,随后将该产物分散于稀盐酸中洗涤烘干得到K-(2)Ti-(4)O-(9)粉末；将K-(2)Ti-(4)O-(9)粉末分散于含过渡金属离子的溶液中搅拌,随后过滤烘干得到过渡金属离子改性K-(2)Ti-(4)O-(9)的光催化材料。本法发明设计了一种简单的通过离子交换引入过渡金属离子到K-(2)Ti-(4)O-(9)层间的方法来实现对其光学带隙的调控而对可见光响应,从而解决其可见光利用率低的问题。本发明所述的方法简单,成本低,效果显著。(The invention relates to a method for regulating K by using transition metal ions 2 Ti 4 O 9 A preparation method of band gap and photocatalysis application, belonging to the field of photocatalysis degradation. The preparation method comprises the following steps: adding TiO into the mixture 2 And K 2 CO 3 After mixing and ball milling, heating and reacting in air atmosphere, and then dispersing the product in dilute hydrochloric acid, washing and drying to obtain K 2 Ti 4 O 9 Powder; will K 2 Ti 4 O 9 Dispersing the powder in a solution containing transition metal ions, stirring, filtering and drying to obtain transition metal ion modified K 2 Ti 4 O 9 Of a photocatalytic material. The invention designs a method for simply introducing transition metal ions into K through ion exchange 2 Ti 4 O 9 The interlayer method realizes the regulation and control of the optical band gap and responds to visible light, thereby solving the problem of low utilization rate of the visible light. The method is simple, low in cost and remarkable in effect.)

一种用过渡金属离子调控K2Ti4O9带隙的制备方法及光催化 应用

技术领域

本发明涉及光催化降解领域，具体涉及一种用过渡金属离子调控K₂Ti₄O₉带隙的制备方法及光催化应用。

背景技术

工业化过程向环境中释放了大量有机物，如抗生素，染料等，已经对水环境造成了不可忽略的污染。在众多处理有机污染物的方法中，光催化作为一种绿色环保的方法，也是最有前途的方法用于处理水环境中有机污染物。钛系化合物中TiO₂是被研究最广泛的光催化剂，其衍生物K₂Ti₄O₉(KTO)是同样是一种无毒，低成本的层状化合物。但其缺点在于比较大的光学带隙，K₂Ti₄O₉的光学带隙大概在3.2-3.4eV，仅仅对紫外光有响应，然而入射至地面的太阳光中仅含有4％的紫外光可以利用，因此调控光学带隙以对可见光有响应是增加太阳光催化效率的有效途径。

对于K₂Ti₄O₉而言，本身层状结构使得K⁺离子可以很容易与其他阳离子进行交换，因此可以通过离子交换引入其他阳离子来实现对其带隙的调控从而使得K₂Ti₄O₉能对可见光响应。

发明内容

基于此，本发明设计了一种简单的通过离子交换引入过渡金属离子到K₂Ti₄O₉层间的方法来实现对其光学带隙的调控而对可见光响应，从而解决其可见光利用率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种用过渡金属离子调控K₂Ti₄O₉带隙的制备方法，包括以下步骤：

(1)将TiO₂和K₂CO₃混合球磨后在空气气氛中加热反应，随后将该产物分散于稀盐酸中洗涤烘干得到K₂Ti₄O₉粉末；

(2)将步骤(1)中所得K₂Ti₄O₉粉末分散于含过渡金属离子的溶液中搅拌，随后过滤烘干得到过渡金属离子改性K₂Ti₄O₉的光催化材料。

进一步地，步骤(1)中TiO₂与K₂CO₃的物质的量比例为2:1，加热温度为950-1100℃，保温时间为0.5-2h。

进一步地，步骤(2)中过渡金属的离子为Fe³⁺和Cu²⁺,含过渡金属离子的溶液浓度为0.01-0.05mol/L。

进一步地，步骤(2)中K₂Ti₄O₉的质量与含过渡金属离子的溶液体积比为1g：(10-20)ml，搅拌时间为12-48h。

本发明的另一种技术方案是上述所得材料在太阳光下催化降解染料的应用，具体方法如下：

配置10-100mg/L的亚甲基蓝溶液并将Fe-KTO和Cu-KTO分散在该溶液中，随后将混合物置于晴朗天气13-16时的自然太阳光直射下进行光催化反应。然后通过UV-vis分析反应后溶液中亚甲基蓝的浓度以表征其光催化性能。

本发明的有益效果在于通过简单的离子交换法引入过渡金属离子到K₂Ti₄O₉层间降低了其光学带隙以对可见光响应从而有效提高了K₂Ti₄O₉的光催化效率，并且改性后的材料降低了电阻率，有高效的电荷空穴分离效率。本发明所述的方法简单，成本低，效果显著。

附图说明

图1为实施例1中Fe-KTO材料A的EDX元素映射图；

图2为实施例1中Fe-KTO材料A的UV-vis吸收图；

图3为实施例1中Fe-KTO材料A的带隙宽度。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明，但本发明要求的保护范围不限于实施例中所述的范围。

实施例1

本实施例包括以下步骤：

(1)按照Ti:K＝2:1的比例称取二氧化钛和碳酸钾，混合球磨12h后在1000℃的空气气氛中加热1h，随后将该产物分散于稀盐酸中洗涤烘干得到K₂Ti₄O₉粉末；

(2)称取0.162g九水硝酸铁(Fe(NO)₃·9H₂O)溶解于20ml去离子水配置成含0.02mol/L的Fe³⁺离子的溶液，并加入步骤(1)所得K₂Ti₄O₉粉末1g，搅拌24h过滤烘干得到Fe-KTO材料A；

(3)取0.1g步骤(2)中所得Fe-KTO材料A分散于20ml浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液中，随后将混合物置于晴朗天气13-16时的自然太阳光直射下进行光催化反应。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

(1)按照Ti:K＝2:1的比例称取二氧化钛和碳酸钾，混合球磨12h后在1000℃的空气气氛中加热1h，随后将该产物分散于稀盐酸中洗涤烘干得到K₂Ti₄O₉粉末；

(2)取0.1g五水硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)溶解于20ml去离子水配置成含0.02mol/L的Cu²⁺离子的溶液，并加入步骤(1)所得K₂Ti₄O₉粉末1g，搅拌24h过滤烘干得到Cu-KTO材料B；

(3)取0.1g步骤(2)中所得Cu-KTO材料B分散于20ml浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液中，随后将混合物置于晴朗天气13-16时的自然太阳光直射下进行光催化反应。