[发明专利]一种负载型碳改性二氧化钛光催化剂的合成方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种光催化剂的合成方法，属于环境保护中污水处理技术领域。

背景技术

传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到好的解决。1972 年，A. Fujishima和K. Honda在n型半导体TiO₂电极上发现了水的光电催化分解作用，TiO₂氧化活性较高，化学稳定性好，对人体无毒害，成本低，无污染，应用范围广，因而最受重视，是目前应用最广泛的纳米光催化材料，也是最具有开发前途的绿色环保型催化剂。

在众多的氧化物光催化材料中，TiO₂以其强氧化性、无毒性、光和化学稳定性以及廉价等优点而成为最理想的环境治理光催化材料。但是TiO2的推广应用遇到两个瓶颈问题：（1）TiO₂禁带宽度大，只能被太阳光中的紫外光激发，例如锐钛矿TiO₂的禁带宽度Eg=3.2 eV，仅能吸收波长小于387 nm紫外光区的光, 对太阳能的利用效率较低；（2）对TiO₂的研究多集中于TiO₂粉体，限制了TiO₂的应用范围。而TiO₂的禁带宽度较大通过碳改性的TiO₂在可见光下会有吸收，目前采用的方法是利用碳或者其他金属掺杂，这种掺杂得到的仍然是粉体，在实际应用中难以分离。研究表明（Angew Chem, Int Ed, 2008, 47: 9975）：TiO2 粒子表面含碳物种可通过光敏化实现可见光催化。现在一般用活性炭表面负载TiO₂这种方法改善了材料的吸附性能并有一定的可见光催化活性，但由于负载量低，钛和碳之间结合不够紧密，导致效率较低。有研究以酚醛树脂为碳源的碳改性TiO₂作为可见光光催化剂降解甲基橙（催化学报，2011，32（4）：699-703），但该方法中的TiO₂在碳材料中分散度不高，处理效率较低。

膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物的粘土岩。蒙脱石的结构特征为一种含水的层状铝硅酸盐矿物，由两个硅氧四面体中间夹一个铝（镁）氧（氢氧）八面体组成，属于2:1型的三层粘土矿物。晶层间的距离为0.96～2.14nm，这些纳米片层层叠在一起，形成几百纳米到几微米的粘土颗粒，在膨润土层间有可以交换阳离子。膨润土在水处理方面有较多的应用，但仅局限于吸附处理，其本身没有催化能力。但膨润土层状的纳米片层结构是良好的催化载体，在膨润土层间进行TiO₂的碳改性，可以使碳和TiO₂紧密结合，其结合属于纳米颗粒的结合，分散度高，可以取得较好的光催化效果，另外膨润土负载的碳改性的TiO₂易于从水中分离。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种负载型碳改性二氧化钛的合成方法，该方法是将TiO₂负载在膨润土层间，既可以保持其纳米效应又可以利于沉淀分离。

本发明采用的技术方案是按如下步骤实施： 

1）制备钛柱撑液：将60~80ml的无水乙醇和40~45 ml的钛酸正丁酯混合，磁力搅拌20~30 min，得到淡黄色澄清溶液A；将96~100 ml的1mol/L的HNO₃与100~105 ml的无水乙醇混合，得到溶液B；将溶液A缓慢的滴加到溶液B中，同时剧烈搅拌，滴加结束后继续搅拌30min，然后滴加0.1~1 mol/L的NaOH溶液，使得NaOH和HNO₃的摩尔比为1:3，滴加结束继续搅拌30min即得到钛柱撑液。 

2）制备有机改性膨润土悬浊液：将10~15 g磨碎的天然膨润土加入蒸馏水配成2%的溶液，浸泡10~12 h，边搅拌边滴加浓度为1~10 g/L的长链型阳离子表面活性剂或短链型阳离子表面活性剂溶液，阳离子表面活性剂总量为0.4~0.9倍相应膨润土阳离子交换容量，滴加结束后继续搅拌1~1.5 h，随后静置一段时间，然后倒去上清液，再加入一定量的蒸馏水冲洗2~3次，清洗结束后加入蒸馏水制成浓度为100~200 g/L的有机改性膨润土悬浊液。