[发明专利]利用生物模板制备多孔纳米晶二氧化钛催化剂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及多孔纳米晶二氧化钛催化剂的制备方法。

背景技术

随着世界经济的飞速发展，人类对赖以生存的化石能源的过度使用导致了温室效应、大气污染、土壤污染、水污染等一系列严重的环境污染问题，从而极大的破坏了地球的生态环境。环境污染除了给生态系统造成直接的破坏和影响外，污染物的积累和迁移、转化还会引起各种衍生的环境效应，给生态系统和人类社会造成间接的更严重的危害。例如，酸雨、臭氧层破坏等就是由大气污染衍生出的环境效应。据世界卫生组织和联合国环境规划署的报告称：全世界有18亿人饮用过受污染的水，每年有30％的人因环境污染而患病，中国是世界上环境污染最为严重的国家之一。因此，解决环境问题从而实现人类的可持续发展成为二十一世纪极具挑战性的课题。光催化氧化法是近年来出现的高级水处理技术，在一定的反应时间内通常可以将有机物完全矿化为CO₂和H₂O等简单无机物，避免了二次污染，简单、高效，是一种应用性很强的高级氧化技术。半导体光催化剂TiO₂由于无毒、价廉、稳定性高和优异的光电性能而引起了人们的广泛关注。但是，传统的TiO₂光催化剂因光生电荷复合率高而限制了其大规模的环境应用。因此，如何进一步提高TiO₂光催化剂的光催化效率成为亟待解决的问题。

众所周知，TiO₂是一种非常稳定的半导体材料，紫外光激发后能产生电子和空穴对，电子和空穴对的复合几率决定了对光的利用率。电子和空穴对的复合几率是由TiO₂的粒子尺寸、相结构、结晶度、比表面积等特性决定的。通常，锐钛矿相TiO₂具有最高的光催化活性。较小的粒子尺寸使得TiO₂具有较高的比表面积，从而有利于提高表面反应和提供更多的活性中心。高的结晶度使得TiO₂具有较少的表面缺陷，可以减少光生电子和空穴的复合中心，从而提高光催化活性。为了提高结晶度，通常需要进行高温焙烧，这样就造成比表面积的降低和晶粒聚集，从而导致了较低的光催化效率。值得注意的是，多孔材料因具有发达的孔道结构、高的孔隙率而非常有利于反应物和产物的扩散以及对光的吸收利用。但是，提高焙烧温度后多孔TiO₂的孔道很容易塌陷。因此，合成同时具有高结晶度、大比表面积和高热稳定性的锐钛矿相多孔纳米TiO₂光催化剂有利于大大提高催化剂的光催化活性。然而，同时获得同时具备这些特性的TiO₂光催化剂目前仍是一挑战性课题。

多孔纳米TiO₂光催化剂通常是采用模板法制备的，这些常用的模板往往是一些表面活性剂(例如：嵌段聚合物P123、季铵盐类阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵等)或硬模板(例如：介孔二氧化硅、阳极氧化铝等)，而这些物质的成本很高，从而提高了TiO₂光催化剂的成本，限制了其实际应用。

发明内容

本发明要解决现现有纳米晶二氧化钛光催化剂结晶度较低、比表面积较小、光催化活性较低、合成工艺较复杂和成本较高的技术问题；而提供了利用生物模板制备多孔纳米晶二氧化钛催化剂的方法。

本发明中生物模板制备多孔纳米晶二氧化钛催化剂的方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将生物模板用蒸馏水清洗后在100～140℃条件下烘干；

步骤二、按钛源与醇的体积比为1∶(1～10)比例将钛源溶于醇中，磁力搅拌混合均匀，得到溶胶；

三、将经步骤一处理的生物模板浸渍于溶胶中，浸渍时间为5～72小时，然后在超声频率为20～40KHz、超声功率为300～600W超声处理10min～3h(使溶胶充分进入孔道内)，再在40～80℃条件烘干，然后在200～300℃条件下预晶化焙烧3～12小时，得到混合物料；

四、按混合物料与蒸馏水质量为1∶20～80的比例将混合物料分散在蒸馏水中，加入有机胺调节pH值至9～12，然后在80～100℃条件下回流48～96小时，用蒸馏水洗涤至中性，烘干；

五、然后以1～10℃/min的升温速率升温至400～900℃，在空气气氛下焙烧3～12小时，降至室温后得到多孔纳米晶二氧化钛催化剂。