[发明专利]一种小尺寸{001}TiO2/碳气凝胶电极的应用

说明书

技术领域

本发明涉及污染控制和材料化学领域，尤其是涉及一种小尺寸{001}TiO₂/碳气凝胶电极的应用。

背景技术

半导体光催化技术作为一种新型的环境污染物降解技术引起了广泛的关注。尤其是TiO₂光催化技术由于其无毒、成本低、氧化能力强、光化学性质稳定、能够抵抗化学和光腐蚀等优点，在难降解污染物的处理方面成为目前最为有效的催化剂之一。通过各种途径提高TiO₂的光量子效率，一直是目前光催化剂研究的热点也是难点之一。近期的研究表明，清洁的锐钛矿TiO₂{001}晶面，具有较高的表面能(0.90J·m-2)，是{101}晶面(0.44J·m-2)的两倍多，其在异相反应中表现出最高的光催化氧化活性。这是因为锐钛矿TiO2{001}晶面含有100％Ti5c原子，而具有高比例低配位原子的晶面通常在异相反应中活性较高。近年来，人们以四氟化钛、硫酸氧钛、钛酸四丁酯等无机、有机含钛化合物为Ti源，借助HF、乙二胺四乙酸二钠等形貌控制剂，通过水热或溶剂热法获得了一系列形貌各异的{001}晶面主导的锐钛矿TiO₂材料({001}TiO₂材料)。然而，目前关于{001}TiO₂的研究工作仍存在一些问题。由于受限于截断四方双锥的几何构型和{001}晶面的特定生长方向，目前制备{001}TiO₂的方法往往是在液相体系中得到的，宏观结构多为粉末或颗粒状，较少在电极表面生长出TiO₂{001}晶面，通过电化学辅助TiO₂{001}晶面的光电催化方法的应用就受到了限制。如果可以成功地将{001}TiO₂构筑在基底上，尤其是一个具有良好导电性的基底上，便可解决{001}TiO₂材料的固定问题，同时还可以通过施加偏压提高光生电子和空穴的分离。碳气凝胶是一种新型轻质纳米多孔无定型碳素材料，由碳纳米颗粒构成的具有连续三维网络结构的块体材料，由许多纳米开孔(3nm～30nm)和中间孔(＜50nm)构成，比表面积通常很大(400m²/g～1100m²/g)，质量密度低(0.03～0.95g/cm3)，具有纳米级连续孔隙(孔隙率高达80％～98.5％，典型孔隙尺寸小于50nm)，纳米级骨架碳微粒(网络胶体颗粒尺寸为3～20nm)。此外，它还具有高导电率，高水热稳定性，常压干燥法制备简单和成本低等优点，可用作催化剂载体等。

因此本发明选取碳气凝胶(CA)电极作为基底，采用水热法，构筑{001}TiO₂/CA电极，不仅保留了具有暴露{001}晶面的TiO₂的优良性能，而且还可以借助碳气凝胶优异的电化学性能更进一步地增强电极的光电催化活性，适用于环境污染物的光电催化降解领域。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有高效的光电催化氧化降解有机污染物能力的小尺寸{001}TiO₂/碳气凝胶电极的应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种小尺寸{001}TiO₂/碳气凝胶电极的应用，以{001}TiO₂/碳气凝胶电极作为阳极，铂片作为阴极，饱和甘汞电极为参比电极，采用三电极体系，施加+0.6～+0.9V偏压，光强25～40mW/cm²，紫外光电降解浓度为50～100mg/L的亚甲基蓝染料废水。

所述的{001}TiO₂/碳气凝胶电极上的TiO₂为50～150nm大小具有暴露{001}晶面的截断四方双锥形。

所述的{001}TiO₂/碳气凝胶电极的制备方法如下：

(1)采用甲醛、间苯二酚、水及碳酸钠制备有机湿凝胶，用丙酮置换有机湿凝胶网络结构中的水分，使有机湿凝胶中的丙酮挥发完全，得到有机气凝胶，对有机气凝胶进行碳化，得到碳气凝胶电极；

(2)将硫酸氧钛超声溶解在氢氟酸溶液中，将步骤(1)得到的碳气凝胶电极放于上述溶液中进行反应；

(3)对步骤(2)反应过后的电极进行煅烧，制备得到{001}TiO₂/碳气凝胶电极。

步骤(1)所述的制备碳气凝胶电极的具体步骤如下：