[发明专利]一种具有中空保护层的二氧化钛纳米管光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有中空保护层的二氧化钛纳米管光催化剂的制备方法。可用于空气净化，水净化，抗菌杀菌，自清洁，建筑装璜材料等与人们生活息息相关的领域。

背景技术

纳米二氧化钛粒子，由于具有强烈的光催化作用，而被世界所广泛的关注。由于这种粒子在受到紫外光激发后，电子和空穴得以分离，从而具有强烈的氧化还原能力。这种氧化还原能力是如此的强烈，甚至可以打断C-H键，因此用它可以来分解绝大多数的有机物。而这种分解有机物的功能，可以派生出一些例如空气净化，水净化，抗菌杀菌，自清洁等与人们生活息息相关的实用性功能。

但是，当人们试图将这种纳米粒子应用到实际中却发现，由于它具有的氧化还原能力是如此的强烈，以至于在分解有机物的同时，将担载它的有机载体也同时分解。例如，为了得到自清洁和空气净化功能，人们将这种纳米光催化剂混入墙面涂料中，但是随着日久天长的日晒，二氧化钛纳米粒子会脱离墙面而产生灰化现象。受此限制，人们只能将这种纳米光催化剂担载于不容易分解的无机物的表面上，例如玻璃，陶瓷等物质，或者在纳米粒子的表面通过例如溶胶-凝胶法来包裹上一层二氧化硅以图在二氧化钛粒子和有机载体之间起保护层的作用，但是研究结果表明，使用这一方法虽然能起到保护有机载体，但是由于二氧化硅是绝缘体，导致电子或空穴无法到达混合粒子的表面，从而导致粒子的催化活性大大降低，分解有机物效率很低。因而这大大地制约了其作为一种优越的光催化剂的实际应用。

为了改变这一现状，目前有研究者通过在二氧化钛纳米粒子的表面包裹上一层中空的二氧化硅保护层，由于有中空层的存在，从而很好的解决了二氧化钛腐蚀有机载体的问题，同时也保持了一定的催化活性。但是二氧化钛经处理后，它的催化活性终归有一定的降低，经研究其催化活性是未处理前的60％～80％。

二氧化钛纳米管作为一种新型的纳米结构材料，具有许多独特的性质，例如其管径在10nm以下，管长在100nm左右，同时二氧化钛纳米管两端开口、形貌单一、比通常的二氧化钛纳米粒子高出5～7倍的比表面积，展示出极其广阔的应用前景，有望在一定程度上提高二氧化钛的光催化活性。但是目前市场上尚未见将二氧化钛纳米管实际应用于光催化剂，仅仅停留在研究阶段。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种具有中空保护层的二氧化钛纳米管光催化剂的制备方法，旨在提高二氧化钛的光催化活性的基础上，保护有机载体不被损害。

本发明所采用的技术方案，即用于制备具有中空保护层的二氧化钛纳米管光催化剂的工艺步骤是：

(1)二氧化钛纳米粒子的前处理，用TiO₂来表示，

将200-600mg的二氧化钛纳米粒子加入到40-80ml，浓度为10-15M的强碱溶液中，以500-1000rpm的转速磁力搅拌处理10-14小时后，在超声波清洗器中振荡0.5h-1h；

(2)二氧化钛纳米管的制备，用Tube来表示，

(i)、水热反应，将步骤(1)制得的混合溶液，在超声波振荡后立即倒入水热反应釜中，于100-170℃下加热处理24-48h，反应后待冷却至室温，取出反应物置于离心管中待用，

(ii)、用水、酸清洗过程，在离心管中加入一定量的纯水，并用药勺打散后在3000-4500rpm的转速下离心5-10min，倒出上层清夜；如此反复清洗直至清液的pH值为中性，然后加入酸溶液，用同样的方法将pH值洗至1-3；最后用纯水再次清洗至pH为中性待用；

(3)纳米管表面包裹碳的过程，用C@Tube来表示，

将步骤(2)制得的纳米管100-450mg添加入浓度为0.7-2.2mol/L的可溶解于水的含碳有机物的水溶液，充分混合后将混合液导入水热反应釜中，于150-200℃下加热处理2-8个小时，反应后用有机溶剂洗涤3-7次后，用蒸馏水洗3-7次后干燥待用；

(4)用溶胶-凝胶法在碳包裹纳米管的外层包裹二氧化硅的过程，用SiO₂@C@Tube来表示，

(i)、将步骤(3)取得的试样100-450mg和氯仿5-15ml、超纯水200-700μl、丙酮3-7ml搅拌0.5-5小时，

(ii)、在5-20ml的无水乙醇溶液中溶解正硅酸乙脂0.1-2g，搅拌0.5-5小时，

(iii)、将步骤(ii)溶液加入步骤(i)溶液中，搅拌3-8小时，

(iv)、反应完毕后，减压蒸馏步骤(iii)溶液到半干后，经100-120℃、3-5小时减压干燥，研磨；