[发明专利]一种介孔二氧化钛/活性碳原位复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低成本光电双功能高催化活性的介孔TiO₂/活性碳原位复合材料的制备方法，属于纳米复合材料技术领域。

背景技术

介孔TiO₂/活性碳原位复合材料因具有无毒，高比表面积，化学和热稳定性好，电性能好及特殊的光催化性能和吸附性能，可应用于电池材料(如锂离子电池、太阳能电池、燃料电池等)和催化材料，也可用于高浓度难降解工业废水处理技术的光催化剂，还可用于超级电容器和高性能电子陶瓷。目前TiO₂/碳复合材料的制备方法有热解法、聚合法、溶胶凝胶法、直接分散法、LB膜法、微乳液聚合法、反应磁控溅射方法、催化裂解或机械复合方法、火焰CVD法、液相化学沉积法、浸渍法、液相氧化还原法、电化学沉积法等。但是现有物理方法的制备过程大多需高温煅烧，对反应设备要求较高，实验成本较高；而现有化学方法的制备工艺复杂，成本高，应用效果较差，难于推广应用。因此，寻找廉价、无毒、简便、快速、易于批量生产的绿色合成方法，制备低成本高活性的纳米复合材料是本领域的一个新课题。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种介孔TiO₂/活性碳复合材料的原位生物复合方法，以微生物活体细胞为催化模板反应器，以较低的成本制得光电双功能高催化活性的介孔TiO₂/活性碳复合材料。

本发明利用微生物表面活性剂为催化模板反应器，用含Ti的原料，在温和条件下进行生物矿化沉积，仿生纳米组装，形成无机有机复合材料，最后快速升温碳化，制得光电双功能高催化活性的介孔TiO₂/活性碳复合材料。

本发明的介孔TiO₂/活性碳复合材料的原位生物复合制备方法，步骤如下：

(1)将微生物表面活性剂加水配制成浓度为2-10g/L水溶液，于常温常压下发酵，形成微生物表面活性剂的乳化液，加入糖助剂0.01-0.6g/L，混合搅拌，室温乳化20-60分钟，形成发酵乳化液A；

所述的微生物表面活性剂是糖脂系、磷脂系、脂肪酸系表面活性剂之一或组合。

微生物表面活性剂通过进行自组装模板合成，利用其自身所特有的圆形或椭圆形细胞结构形成乳化液。

(2)在磁力搅拌的作用下，将含有Ti⁴⁺的无机溶液，按每分钟5-20滴的滴加速度加到上述乳化液A中，让Ti⁴⁺能够充分吸附到微生物细胞表面的阴离子群上，TiO₂含量控制在30-150g/L(TiO₂含量为含有Ti⁴⁺的无机盐溶液换算而来)，常温下磁力搅拌0.5-1个小时后，得乳浊液B。

(3)在室温下按每分钟5-20滴的速度滴加pH调节剂，调节乳浊液B的pH＝7-10，继续搅拌2-5h，让微生物细胞结构充分矿化沉淀，得到乳浊液C。

所述的pH调节剂是氨水、NaOH、三乙胺、尿素之一或组合。

(4)将乳浊液C静置1-4h，然后将沉淀物水洗2次，醇洗1次，除去NH⁴⁺、SO₄⁴⁺、Na⁺和Cl^-以及H₂O等杂质离子。

(5)将水洗和醇洗后的沉淀物在80-120℃干燥10-24h，再将干燥后的样品进行热处理，以不低于10℃/min的速度快速升温到300-600℃，让微生物表面活性剂充分碳化，保温1-4h，即得到介孔TiO₂/活性碳原位复合材料。

优选的，步骤(5)中热处理的升温速度为10-20℃/min。

优选的，步骤(3)中的pH调节剂是氨水。

上述糖脂系生物表面活性剂为鼠李糖脂、海藻糖脂、槐糖脂之一，其中槐糖脂是球丝酵母或假丝酵母在葡萄糖和正构烷烃或长链脂肪酸中培养时产生的。

上述磷脂系微生物表面活性剂为卵磷脂或由硫磺细菌发酵培养的磷脂酶。

上述脂肪酸系微生物表面活性剂为覆盖霉菌酸或青霉孢子酸。

上述含Ti⁴⁺的原料选自硫酸钛、氯酸钛、TiCl₄、钛酸四乙酯、钛酸四丁酯、钛酸丁脂、钛酸正丁酯、钛酸异丙酯、异丙醇钛、偏钛酸、硝酸钛、柠檬酸钛或氢氧化钛之一或组合。