[发明专利]二氧化钛插层光催化复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锐钛矿型纳米二氧化钛插层光催化复合材料及其制备方法。 

背景技术

纳米二氧化钛作为光催化剂应用已经超过30年，其化学性质稳定，无毒、无污染，成为室内空气净化、天然水体和工业废水的无害化处理首选的光催化剂，并应用于众多有机光催化反应中。其催化机理是当纳米二氧化钛颗粒尺寸小于某一临界尺寸时，对紫外光吸收蓝移，禁带宽度增加，产生更大的氧化-还原电位，大幅增加电荷的转移速率，提高量子产率和光催化反应效率。大量研究结果表明，二氧化钛的量子产率对其晶粒大小有密切的依赖关系，当二氧化钛的粒径小于10nm时，量子产率急速上升，例如，在丙烯光催化加氢反应中，当锐钛矿二氧化钛粒径由16nm减少到8nm后，光催化活性提高了6倍多。 

目前，制备纳米二氧化钛的方法很多，其中固相法中有高能球磨法、机械粉碎法等；气相法中有等离子体法、激光化学法、溅射法、气相水解法；常用的液相法中包括水热法、水解法、沉淀法、溶胶-凝胶法等。例如专利200910060703.2中利用TiCl₄水解后水热晶化制备锐钛矿型纳米二氧化钛粉末，专利200810045342.X和02150913.1中利用了偏钛酸沉淀，然后高温煅烧锐钛型二氧化钛粉末，专利200710011150.2利用钛酸正丁酯水解溶胶凝胶制备制备纳米二氧化钛光催化剂，不完全统计结果表明，中国发明专利涉及到氧化钛制备的专利超过600篇。理论上这些方法中的大多数都可以得到粒径小于10nm的二氧化钛，但为了获得锐钛矿的晶型，高温处理将使晶粒尺寸长大，同时，大规模纳米粉体制备的技术瓶颈是颗粒的团聚，这是上述方法本身无法克服的。在实际应用中，另一个技术难题是纳米二氧化钛颗粒细小(一般小于50nm)，在溶液中呈悬浮状，使用后回收极为困难。一般处理的方法是将二氧化钛光催化剂进行负载，例如专利02139272.2在金属表面负载了二氧化钛光催化剂，专利02139274.9则利用活性炭微粒的吸附，将二氧化钛负载在活性炭上面，专利01803921.9在二氧化硅上的负载氧化钛，专利00815646.8则在热塑聚合物载体上对二氧化钛进行负载，利用负载的方法可以解决光催化剂回收，有的方法还可以改善二氧化钛的光催化性能，但二氧化钛在负载表面生长、分布缺乏控制，难以避免团聚，一般而言，其光催化效果较负载前有所降低。 

α-磷酸锆(α-Zr(HPO₄)₂)·H₂O，简写α-ZrP)是近年来发展起来的层柱功能材料，它具有典型的层状结构，层间距是0.76nm，其极具潜力的特点在于它可以根据目标反应的要求进行分子设计并进行组装。利用插层反应将客体分子插入到层间，调变其层间结构和功能，得到一些具有光、电、磁、催化等性能的材料。将纳米TiO₂插入到α-磷酸锆得层板中，可以有效的限制纳米TiO₂的生长，其颗粒的直径不会超过层板间距离，由于α-磷酸锆可以透射紫外光，板层间就如同一个微型光化学反应器，反应器中TiO₂的浓度得以提高，促使其光催化效率得提高。最后，将TiO₂插层到层状磷酸盐中，整个催化材料的物理尺寸大幅增大，可以有效解决纳米TiO₂在降解污染物后难于分离的问题。 

发明内容

本发明目的是提供一种锐钛矿型纳米二氧化钛插层光催化复合材料。该复合材料由α-磷酸锆和二氧化钛组成，其中二氧化钛插入到α-磷酸锆层间，二氧化钛占整个复合材料重量百分比为0.5～5％。 

本发明的另一个目的是提供一种锐钛矿型纳米二氧化钛插层光催化复合材料的制备方法。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：粒度小于1nm的二氧化钛插入到α-磷酸锆层间形成的光催化复合材料，该复合材料由α-磷酸锆和二氧化钛组成，其中二氧化钛插入到磷酸锆层间，二氧化钛占整个复合材料重量百分比为0.5～5％。制备方法是把水解后的钛酸丁脂插入到经过交换处理的α-磷酸锆的层间，150～240℃水热反应晶化后形成颗粒小于1nm的锐钛矿型纳米二氧化钛插层光催化复合材料。 

上述锐钛矿型纳米二氧化钛插层光催化复合材料的制备方法按照下述步骤进行：