[发明专利]一种碳包裹二氧化钛复合材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛材料的制备方法及其应用，特别涉及一种碳包裹二氧化钛复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

从1972年，人们发现半导体材料二氧化钛可以在紫外光照射下电解水产生氢以来，二氧化钛作为一种光催化性强、无毒、价廉、化学性质稳定的光催化剂在污水处理、空气净化、有机物光降解以及太阳能电池方面得到国内外学者的广泛的研究。但是二氧化钛的实际应用还受到诸多因素的限制，主要是光催化性较强的锐钛矿性二氧化钛的禁带宽为3.2eV，只能被波长小于387.5nm的紫外光激发显示出光催化性，而紫外光仅占太阳光的5%左右，因此大大限制了二氧化钛对太阳光的利用；同时，二氧化钛粉体在处理有机废水时，存在易团聚、流失，难分离、难回收等缺点，因此对污染物的光催化降解效率不高。因此，对二氧化钛进行改性，拓宽其光响应范围和解决其在液相污染物中难以分离的不足，是目前国内外在环境治理领域的又一具有挑战性的研究课题。

为了扩展二氧化钛的光响应范围至可见光区，通常采用包裹金属或非金属的方式降低其禁带宽度。自从Asahi在Science上首次报道了氮包裹二氧化钛后，包裹非金属元素如：氮、氟、硫和碳等成为了研究的热点。虽然包裹后的二氧化钛具有可见光响应，但是仍然不能保证光催化效率得到有效提高，而且仍然没有解决二氧化钛粉体难以从溶液中分离的难题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中制备的二氧化钛光催化效率低，粉体难以从水溶液中分离的问题，提供一种碳包裹二氧化钛复合材料的制备方法。

本发明的另一个目的在于提供一种碳包裹二氧化钛复合材料的应用方法。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种碳包裹二氧化钛复合材料的制备方法，包括如下步骤：

A、在磁力搅拌下将150～500mg二氧化钛和质量浓度为1%～10%的蔗糖溶液按照质量比1:2～10充分混合；

B、将步骤A的混合溶液放入恒温箱中，在100℃～150℃温度下，反应2～6h，使蔗糖碳化；

C、将步骤B中所得的物质研磨成粉末后在400～700℃的空气气氛中恒温煅烧2～6小时，制得所需产品。

作为优选方式，所述步骤C中，物质在玛瑙研钵中研磨成粉末。

作为优选方式，所述步骤A中，二氧化钛为Degussa P25二氧化钛。

本发明方法制备的碳包裹二氧化钛复合材料可应用于水处理反应器中光催化或光电催化降解有机污染物。

本发明方法制备的碳包裹二氧化钛复合材料的应用，以高压放电产生的紫外光和可见光作为激发光源进行光催化，光催化反应步骤为:

将多孔钛合金材料作为反应器的阳极，多根不锈钢针并联为阴极，在反应器中添加碳包裹二氧化钛复合材料，投加量为0.5～6g/L，通过阳极通入流量为0.2～0.5m³/h的空气或氧气，对污染物进行降解。

所述反应器为脉冲放电反应器或放电等离子体反应器。

本发明通过加热蔗糖和二氧化钛混合溶液使蔗糖碳化制备石墨化碳薄膜包裹二氧化钛的复合材料。碳薄膜透明，不影响光的通透性和二氧化钛的光催化性；而且石墨碳具有高电导率，利于二氧化钛导带的电子的传输，提高光生电子和空穴的分离效率。本发明制备的复合材料的颗粒大小在2～5微米之间，纳米P25二氧化钛粒径大小在21纳米左右，且纳米二氧化钛被包裹在透明碳薄膜之中，避免了纳米二氧化钛粒子的团聚。

非平衡等离子体水处理技术是指在特定的反应器内，将陡前沿、窄脉冲的高压施加于地极和放电极上，两极间的高强电场使电子瞬间获得能量成为高能电子，与H₂O和O₂碰撞使其解离，产生·OH、·HO₂、·O、·H、H₂O₂和O₃等活性物质，这些活性物质与水中的有机物反应使其降解。放电过程中由于分子的电离、跃迁会产生一些物理效应，如紫外辐射、超声波、冲击波等。脉冲放电过程获得的发射光谱显示，光辐射的波长分布在200～1000纳米范围内，因此，在脉冲放电水处理反应器中添加TiO₂光催化剂，可以有效利用脉冲放电产生的紫外光和可见光，是进一步提高降解效率和反应器能量效率的可行方法。

本发明的有益效果在于：