[发明专利]一种氧化钛粘土光催化材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于表面活性剂自组装的作用实现纳米氧化钛在粘土表面的固定化制备粘土光催化材料的方法，实现纳米氧化钛的固定化新途径，提高光催化材料的吸附和光催化效率，并将这一粘土材料应用于废水处理等领域。

技术背景

纳米二氧化钛具有量子尺寸效应和表面效应等特殊性质，二氧化钛禁带宽度较宽，只能吸收波长低于387.5nm的紫外光，在光催化过程中电子转移率低，光生电子和光生空穴极易复合，光量子产率不足10％，而且太阳光中只有不足5％的紫外光可以利用，对日光的利用率很低。二氧化钛粒径越小，吸收光能后，激发态的电子、空穴向表面扩散的数量越多，光催化效率越高。但是氧化钛光催化降解有机污染物大多采用悬浮分散法，存在氧化钛颗粒细小、易团聚、对有机物的吸附性能差，造成量子效率低和纳米二氧化钛难以分离回收等问题。同时，锐钛型氧化钛晶体颗粒大小在6-8nm(＜10nm)时其催化特性最佳，小于3nm时，基本上不具备光催化所需的光量子效应。因此，通过改变TiO₂性质和形态，研究可控性制备纳米氧化钛颗粒并有效固定化使纳米氧化钛发挥其最大光催化性能，对于光催化氧化技术在水处理中的应用和向其它领域的推广具有很大的实际意义。

蒙脱石是一种与环境完全兼容的层状粘土，具有很强的吸附特性和离子交换性。以蒙脱石为载体固定化纳米氧化钛颗粒弥补了水相中纳米二氧化钛易凝聚，难以分离回收，活性成分损失大等缺陷。以水热法制备高分散稳定的纳米氧化钛，调控纳米氧化钛的粒径大小，可以通过表面活性的自组装作用有序控制纳米氧化钛在粘土片层表面的固定化过程，以优化氧化钛改性蒙脱石光催化材料的结构性能。

氧化钛粘土光催化材料，以其较强的吸附性能和光催化性能，可以广泛应用于化学化工、生物技术及环境污染控制等领域。

发明内容

为了解决纳米氧化钛颗粒在粘土载体上的有序固定化及粒径优化的问题，本发明的目的是提供一种纳米氧化钛在粘土载体表面固定化的粘土光催化材料。该材料是通过一种预分散纳米氧化钛在粘土片层表面的自组装过程，即以水热法制备高分散稳定的纳米氧化钛，调控纳米氧化钛的粒径大小，然后通过表面活性的自组装作用有序控制纳米氧化钛在粘土片层表面的固定化过程。

该合成方法的一个目的是解决纳米氧化钛合成过程中纳米颗粒的团聚问题；

本发明的另一个目的是实现纳米氧化钛粒子在粘土载体表面的有序固定化，得到高度分散且粒径优化的纳米氧化钛粘土光催化材料，提高材料的光催化性能。

本发明的氧化钛粘土光催化材料的合成方法，包括以下步骤：

(1)钠基蒙脱石的提纯；

(2)钠基蒙脱石的水化；

(3)纳米氧化钛的合成；

(4)纳米氧化钛在粘土表面的固定化；

(5)煅烧处理。

本发明通过化学改性在纳米颗粒表面接枝有机分子阻止纳米颗粒因表面能的作用而团聚。用于水热法制备纳米二氧化钛，以二乙醇胺为稳定剂和分散剂调控纳米氧化钛粒径与形貌，得到与分散的纳米氧化钛溶液。预分散纳米氧化钛在粘土表层的固定化过程如图1所示：(1)表面含有丰富羟基的纳米二氧化钛颗粒与醇胺的羟基经脱水反应生成外层含有亲水氨基的纳米氧化钛(A)，且稳定分散在水溶液中；(2)溶液中引入表面活性剂CTAB后，表面活性剂的亲水端铵基与(A)中的氨基通过氢键和静电作用自组装形成外层为疏水特性的纳米氧化钛-表面活性剂组合物(B)；(3)在溶液中形成组合物(B)的同时有一部分CTAB通过离子交换作用与蒙脱石粘土插层反应形成表面疏水的有机改性蒙脱石颗粒(C)；(4)由于水溶液中纳米氧化钛-表面活性剂组合物(B)的外层为疏水特性，是不稳定的，很容易与表面同为疏水特性的CTAB改性蒙脱石(C)相互作用而促使纳米氧化钛颗粒在粘土表面的固定化，得产物(D)，由于产物(D)仍然保持强的疏水特性而与反应体系的水溶剂自然分相；最后，(5)热处理过程中由于外层表面活性剂的保护作用，固定在粘土表层的纳米氧化颗粒基本保持其原有粒度而不发生聚并得到产物(E)。焙烧既除掉纳米氧化钛表面的有机物质，同时蒙脱石粘土层间的表面活性剂也被分解而恢复原有的层间状态。

附图说明

图1预分散纳米氧化钛在粘土表层的固定化过程图

图2TiO₂纳米颗粒以及DEA-TiO₂纳米粒子的透射电镜图

图3TiO₂纳米粒子以及DEA、DEA-TiO₂纳米粒子的红外光谱图

图4改性蒙脱石的热重曲线