[发明专利]三维孔道相互连通的纳米结晶介孔光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属无机先进材料和水中污染物去除技术领域。具体涉及一种具有不同组成、三维孔道相互连通、大孔径、高比表面积、高性能、纳米结晶介孔氧化物光催化剂及其制备方法。

背景技术

高度有序、两维六方结构、直孔道、大孔径、高比表面积、纳米复合介孔xTiO₂–ySiO₂ [x/y (摩尔比) = (99–1)/(1–99)]材料由TiO₂纳米晶粒与无定形SiO₂纳米颗粒组成，TiO₂纳米晶粒与SiO₂纳米颗粒在骨架内相互连接、相间共存，形成一种非常独特的介孔骨架结构。其大孔径可使反应物以及产物分子在反应前后容易扩散进出，高比表面积可提供更多的吸附与光催化活性中心，因此大幅提高了TiO₂光催化降解有机污染物(如阳、阴离子染料，藻毒素等)的效率。但两维六方排列、平行的直孔道互不相通，每条孔道只在两端有孔口，反应物分子只能从孔道两端的孔口进入、在孔道内须经较长距离才能到达孔道深处的内表面；在孔道深处的产物分子必须长距离扩散方可从两端的出口离开孔道。这在较大程度上影响了内表面性能的充分发挥、以及光催化效率的进一步提高。如果在确保原介孔骨架结构免遭破坏的前提下，将孔壁内的无定形SiO₂纳米颗粒部分或全部刻蚀掉、可在孔壁上造出无数新孔。这些新孔既为原孔道添加了无数“窗口”，又将原平行、互不相通的直孔道相互连通，形成孔道三维高度相互连通结构。这样，反应物分子可从无数“窗口”和孔口同时进入孔道、在孔道内经很短距离便可快速到达内表面、或进入其它孔道；孔道内的产物分子同样只需通过很短距离便可到达各“窗口”与孔口、并快速离开孔道。从而，可极大地提高内表面的利用率、光催化与催化效率、以及传感、光电转化等方面的性能。 

对于高度有序、两维六方结构、直孔道、大孔径、高比表面积xNb₂O₅–ySiO₂、xTa₂O₅–ySiO₂、xZrO₂–ySiO₂ [x/y = (99–1)/(1–99)]等纳米复合介孔材料，它们与介孔xTiO₂–ySiO₂的情况类似，通过刻蚀其孔壁内SiO₂纳米颗粒、在孔壁上造出无数新孔、使原平行、互不相通的直孔道相互连通，形成三维孔道高度相互连通结构、及无数向外的“窗口”，同样可以极大地提高这些材料的吸附、光催化、催化、传感、光电转化等方面的性能。目前，国内外对这方面的研究尚未见报道。 

发明内容

本发明的目的是提供一种三维孔道相互连通、大孔径、高比表面积、高性能、纳米结晶介孔氧化物光催化剂及其制备方法。三维相互连通的孔道可使染料、藻毒素等污染物分子从无数“窗口”与孔口同时进入、在孔道内经很短距离快速到达更多吸附与光催化活性中心；孔道内的产物分子同样只需通过很短距离便可从无数“窗口”与孔口快速离开孔道。从而极大地提高内表面的利用率、以及光催化效率，达到更加快速、高效去除水中污染物的目的。      

本发明提出的三维孔道相互连通的纳米结晶介孔光催化剂由两维六方结构、直孔道、大孔径纳米复合介孔氧化物材料在NaOH溶液中通过刻蚀其孔壁内无定形SiO₂纳米颗粒制备得到；介孔光催化剂在保持原有介孔骨架结构的同时，在孔壁上形成无数新孔，新孔将原平行、互不相通的直孔道相互连通；其孔径范围为1–20 nm，BET比表面积为80–900 m²/g，热稳定性高于400 ℃；所述介孔光催化剂的形貌为粉体，骨架呈纳米结晶或高纳米结晶状态；介孔光催化剂为单一组分的介孔氧化物、两种及两种以上组分的复合介孔氧化物。