[发明专利]介孔金属氧化物/大孔二氧化钛纳米管阵列复合光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种介孔金属氧化物/大孔二氧化钛纳米管阵列复合光催化剂及其制备方法。

背景技术：

随着工业生产的发展，全球性的能源短缺与环境污染日益威胁到人类的生存与发展。如何利用环保清洁又可再生的太阳能资源来解决人类的能源与环境危机成为了各国科学家的研究热点。

始于20世纪70年代的光催化技术是一种利用光照激发氧化物半导体产生光生电子-空穴对，彻底降解有机污染物、环境友好无二次污染的办法，在环境污染处理中有潜在的应用前景。到目前为止，在所有研究的半导体光催化剂中，二氧化钛被证明最适合于广泛的环境应用，这是因为二氧化钛具有很高的光催化活性和良好的生物、化学惰性，不会发生光腐蚀和化学腐蚀，而且价格相对便宜。

但目前存在的问题是，二氧化钛的能带带隙较宽(3.2eV)，只能被波长较短的紫外线激发，即太阳光的紫外部分，而太阳光能量密度最大部分却在400～600纳米区域，紫外光能量在太阳光中所占比例不到5％，故它对太阳光的利用率很低，而且二氧化钛光生电子-空穴复合率高，限制了其可见光催化活性；另外，现已面世的工业化的颗粒状二氧化钛催化剂存在着难以与降解物分离、催化剂易流失且回收的难点；而薄膜型光催化剂反应面积有限且易吸附溶液内惰性物质失活等问题阻碍着光催化技术的实际应用。

二氧化钛纳米管阵列具有较高的比表面积，其垂直排列于导电层的管道优化了电子的传导，降低了光生载流子的复合几率，其孔道大小、形状可调，在光催化等方面有着潜在应用前景。但其合成时多采用阳极氧化法，可见光敏化较困难。Grimes等其将金属铜与钛混合溅射成膜后再氧化生成阵列，获得了一定的可见光活性，但其工艺复杂，设备要求较高，不适应实际推广(Nano.Lett.2008.7：1906-1911)。Chen等人而通过在二氧化钛孔道内填充Cu₂O，提高其可见光下对四氯酚的降解，但氧化物的填入会减少孔道的比表面积，降低其对污染物的吸附(Environ.Sci.Technol.2009.43：858-863)。介孔类物质具有较高的比表面积，若把介孔类金属氧化物引入孔道内，则可以在可见光敏化的同时提高其对污染物的吸附，从而为提高二氧化钛光催化活性提供了新的途径。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种介孔金属氧化物/大孔二氧化钛纳米管阵列复合光催化剂。

本发明的目的之二在于提供该催化剂的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种介孔金属氧化物/大孔二氧化钛纳米管阵列复合光催化剂，其特征在于该催化剂以垂直附着于金属钛板的大孔二氧化钛纳米管阵列为载体，其中填充有介孔金属氧化物，其填充度为10～100％V/V。

上述的介孔金属氧化物为孔径范围为2～10nm的金属氧化物；所述的大孔二氧化钛纳米管阵列管径范围为50～150nm钛基二氧化钛阵列。

上述的金属氧化物为：钛、铁、铜、锡、铬或锰的氧化物。

上述的钛、铁、铜、锡、铬或锰的氧化物为：二氧化钛、三氧化二铁、氧化铜、二氧化锡、三氧化二铬、二氧化锰。

一种制备上述的介孔金属氧化物/大孔二氧化钛纳米管阵列复合光催化剂的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

a.将非离子型表面活性剂或阳离子表面活性剂作为介孔结构模板剂溶解在的醇水混合溶剂中，其中水与醇的质量之比为：0.1～1∶1；搅拌均匀后，再加入金属前驱物；调节体系pH为值1～4，得到混合溶液；非离子型表面活性剂与醇水混合溶剂的质量之比为0.001～0.01∶1，阳离子表面活性剂与醇水混合溶剂的质量之比为：0.01～0.1∶1；所述的金属前驱物与醇水混合溶剂的质量之比为：0.1～1∶6.5；

b.将钛板阵列浸渍步骤a所得的混合溶液中，通过抽真空法或提拉法，将混合溶液导入至钛板阵列孔道中，在5～40℃，湿度50～80％的条件下，溶剂挥发自组装12～48小时得到复合材料；

c.将步骤b所得复合材料以1～5℃/分钟的速度升温至350～600℃，保温1～4小时，得到催化剂。

上述的非离子型表面活性剂为：三嵌段共聚物EO₂₀PO₇₀EO₂₀或EO₁₀₆PO₇₀EO₁₀₆；所述的阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵CTAB。

上述的金属氧化物前驱物为钛、铁、铜、锡、铬、锰的醇盐或无机盐中的至少一种。