[发明专利]多孔无机陶瓷膜-Fe改性TiO2-碳纳米管光触媒材料及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于光催化水处理领域，具体涉及一种多孔无机陶瓷膜-Fe改性TiO₂-碳纳米管光触媒材料及其制备方法。

背景技术：

光催化氧化技术是20世纪70年代发展起来的一种新型水处理技术，该技术具有氧化能力强、节能高效、工艺简单、清洁无二次污染等诸多优点，因此倍受环境工作者关注。主要的光催化剂有TiO₂、ZnO、CdS、WO₃和Fe₂O₃等，由于TiO₂具有化学稳定性好、反应活性大、无毒等独特的优势，目前对TiO₂的研究最为广泛。

TiO₂作为光催化剂处理废水虽然具有很多优点，但同时也存在一些问题。TiO₂的光吸收波长阈值小于400 nm，因此目前在对TiO₂光催化氧化的研究中，光源普遍为紫外光，这就产生了两方面的问题：一是增加产业化成本，浪费了充足的太阳光资源；二是紫外光线的释放会对人体健康带来负面影响。为了提高对太阳光的光能利用率，需要对TiO₂催化剂进行改性，拓宽其光吸收波长范围，使催化剂的光谱响应波长红移，从而在废水处理领域更有效的应用TiO₂的光催化性能。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有光触媒催化剂的缺陷，利用无机陶瓷膜的富集作用、碳纳米管独特的电荷传输性能以及Fe元素的掺杂改性，提供一种光吸收波长阈值大、催化效率高、耐腐蚀、耐清洗、机械强度大、结构稳定不变形和使用寿命长的用于富集水中有机污染物的多孔无机陶瓷膜-Fe改性TiO₂-碳纳米管光触媒材料及其制备方法。

本发明所采用的技术方案是：

该光触媒材料以多孔无机陶瓷膜为载体，将Fe改性TiO₂与碳纳米管的复合物负载于载体表面；该催化剂中，多孔无机陶瓷膜的质量百分比为50%~80%，Fe改性TiO₂与碳纳米管的复合物的质量百分比20%~50%；Fe改性TiO₂与碳纳米管的复合物中，碳纳米管的质量百分比为3%~5%，其余为Fe改性TiO₂，其中，Fe与Ti的原子比为1:5。

所述的光触媒材料的制备方法，具体制备步骤如下：

步骤（1）：将主要成分为SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、TiO₂、K₂O和Na₂O的煤渣研磨均匀，加入粒径为0.02mm的发泡剂，在压力机上采用半干法以及38MPa的成型压力下压模成型，压制成薄片；将压制的薄片在马弗炉中1100oC下煅烧2 h即获得粉煤灰基多孔陶瓷片，并将其研磨，得到多孔无机陶瓷膜；

步骤（2）：室温下，将碳纳米管放入无水乙醇中，超声粉碎处理使碳纳米管开口；然后进行第一次超声波处理，而后加入钛酸正丁酯，再继续进行第二次超声处理，并在第二次超声处理过程中，依次加入硝酸铁和乙酸的混合溶液与多孔无机陶瓷膜；超声处理直至溶胶出现时停止，并在室温条件下老化数天；

步骤（3）：对步骤（2）得到的老化样品进行干燥、焙烧，即得到所述光触媒材料，且使得到的催化剂中，多孔无机陶瓷膜的质量百分比为50%~80%，Fe改性TiO₂与碳纳米管的复合物的质量百分比20%~50%；Fe改性TiO₂与碳纳米管的复合物中，碳纳米管的质量百分比为3%~5%，其余为Fe改性TiO₂，其中，Fe与Ti的原子比为1:5。

所述步骤（1）中的煤渣的研磨粒径为0.06 mm~0.09mm；发泡剂为木炭且用量为发泡剂与煤渣总重量的10%；煅烧后薄片的研磨粒径为0.1mm~0.3mm。

所述步骤（2）中超声粉碎处理的时间为15min，第一次超声处理的时间为15min，第二次超声处理的时间为30min；乙酸的浓度为0.5 mol/L，硝酸铁与乙酸的摩尔比为1:2。

所述步骤（3）中的干燥为普通鼓风干燥箱干燥，干燥温度为80oC，干燥时间为10h；焙烧在氮气氛围下进行，焙烧温度为550oC，焙烧时间为1.5h。

本发明的有益效果为：