[发明专利]一种高结晶多孔单晶氧化钛-碳纳米管复合材料光催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，具体涉及一种高结晶多孔单晶氧化钛-碳纳米管复合材料的制备方法及其应用。 

背景技术

铬是广泛存在于自然界的一种重金属元素，其主要存在形式有单质铬，Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)。单质铬和Cr(Ⅲ)几乎对人体不产生有害作用，而Cr(Ⅵ)易被人体吸收并且在体内积蓄进而对人体皮肤、呼吸道、眼、胃肠道产生损害，并且Cr(Ⅵ)具有致突变性和潜在致癌性。而目前对重金属的处理主要有化学沉淀法、离子交换法、吸附、过滤、电化学处理等方法，而这些方法由于在处理过程中会产生大量淤泥，成本高，脱附难等缺点而使得其应用受到限制。因此探索新的简单方法制备有效去除工业废水中Cr(Ⅵ)的纳米材料在近几年也成为研究的热点之一。 

二氧化钛作为p型半导体功能材料，其禁带宽度为3.2eV。相对于其它光催化剂具有更强的氧化还原能力、高化学稳定性和无毒等特性，因此被广泛用于降解有机污染物、光催化产氢、杀菌等。而碳纳米管和氧化钛（CNTs-TiO₂）复合可以有效地减少光生电子和空穴复合率，因此合成新型CNTs-TiO₂复合材料并应用于Cr(Ⅵ)还原具有重要的研究意义。 

微波化学合成法近年来已被广泛应用于纳米材料的合成。这主要是由于微波合成具有绿色环保、反应速度快、重现性好等优点。本专利通过微波水热法，利用微波对含有Ti源的水溶液进行快速均匀加热，在较温和的条件下快速制备高结晶多孔单晶氧化钛-碳纳米管复合材料。其对Cr(VI)的还原要明显高于商业化P25，而且表现出很好的稳定性。 

发明内容

本发明的目的在于本发明的目的在于针对现有技术所存在的缺陷和市场需求，提供一种高结晶多孔单晶氧化钛-碳纳米管复合材料催化剂及其简单易行、成本低廉的制备方法。 

一种高结晶多孔单晶氧化钛-碳纳米管复合材料光催化剂，其特征在于，所述单晶氧化钛-碳纳米管复合材料为具有多孔结构的单晶氧化钛颗粒，单晶氧化钛粒径为40-60nm，碳纳米管管径为60-100nm。 

所述高结晶多孔单晶氧化钛-碳纳米管复合材料光催化剂的制备方法，包括以下步骤： 

（1）向液氮中加入一定体积的四氯化钛和水，待温度到室温后得到溶液A，液氮、四氯化钛和水的体积比为10：（1-3）：（4-7），优选5:1:3。 

（2）将碳纳米管分散于水中，加入溶液A和离子液体，搅拌均匀，置于微波反应釜中，以20℃/min升温速率升温6-8min，微波功率为1000w，在140-160℃下反应1-120min，冷却至室温，洗涤至中性，离心并真空干燥；水、溶液A和离子液体的体积比为192：7-9：1-3，碳纳米管中的碳元素与四氯化钛中的钛元素的理论摩尔比为7-9：50。 

步骤（2）中水、溶液A和离子液体的体积比优选96：4：1。 

优选地，步骤（2）中反应温度为150℃，时间为90min。 

优选地，步骤（2）中碳纳米管中的碳元素与四氯化钛中的钛元素的理论摩尔比为优选4：25。 

所述的离子液体包括1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，溴化1-丁基-3-甲基咪唑，氯化1-丁基-3-甲基咪唑和1-甲基咪唑四氟硼酸盐，优选1-甲基咪唑四氟硼酸盐。 

本发明制备的产品通过以下手段进行结构表征：采用在日本理学Rigaku D/Max-RB型X射线衍射仪上测量的X射线衍射进行样品的结构分析；采用日本生产的JEM2010型透射电子显微镜获得透射电镜图片；采用日本JEOL JSM-6380LV型扫描电镜获得的扫描电镜照片。 

本发明与现有通过浸渍，水热等方法合成氧化钛-碳纳米管复合材料相比，具有以下优点及突出效果：本发明采用水为溶剂，四氯化钛水溶液为钛源，有离子液体为导向剂，碳纳米管为模板，利用微波法清洁快速合成了一种高结晶多孔单晶氧化钛-碳纳米管复合材料，其中的单晶氧化钛具有高热稳定性和高结晶度性，所使用的化学试剂均为常用试剂、廉价易得。特别用水作清洁溶剂，克服目前需要用各种醇类及表面活性剂来控制氧化钛结构的醇热法在合成过程中造成的污染；采用液氮低温技术使得极易在常温下水解的四氯化钛溶液在可以水中稳定存在。本发明所制备的高热稳定性氧化钛-碳纳米管复合材料光催化剂在还原Cr(VI)的反应中活性要明显高于商业化P25，而且表现出很好的稳定性。 

附图说明

图1为所制得的高热稳定性氧化钛-碳纳米管复合材料样品的XRD图谱；