[发明专利]一种钛酸盐纳米片光催化膜材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及光催化剂的制备与光催化环境治理领域，具体涉及一种在过氧化氢辅助下具有极高活性的透明、柔性、无支撑的钛酸盐纳米片光催化膜材料。

背景技术

社会及工业化的高度发展使得环境污染，尤其是水污染，成为严重阻碍人类社会发展的难题之一。如何有效处理工业和生活污水，对于人类社会的可持续发展具有重要意义。半导体光催化作为一种新型、有前途的环境污染处理技术，具有绿色无污染、能耗低、占地少、效率高、适用范围广的特点。

在众多的光催化材料中，氧化钛由于其廉价、无毒、稳定性好的特点而被广泛研究。然而，氧化钛的禁带宽度较大，使其只能吸收紫外光，而紫外光在太阳光中所占不到5％，因而对太阳能的利用率非常低。此外，光生电子-空穴对复合率较高，使得氧化钛的光催化效率低下。过氧化氢是一种光催化助剂，其不仅可以接受导带上的光生电子，从而提高光生载流子的分离率，而且本身被光生电子还原形成具有强氧化性的羟基自由基。此外，氧化钛表面吸附过氧化氢之后，颜色由白色变为黄色，从而具备可见光活性(Langmuir,2001,17,4118-4122)。

由层状钛酸盐通过软化学剥离的途径获得的钛酸盐纳米片材料具有独特的二维纳米结构，近年来以钛酸盐纳米片为基的光催化材料已被广泛研究。作为光催化剂，钛酸盐纳米片具有以下优点：(1)比较面积大，提供更多活性位；(2)单分子层的厚度使得光生电子-空穴扩散到表面的距离极短；(3)作为复合材料，夹层结构可提高客体物质的稳定性。虽然，钛酸盐纳米片表面带电性质使其非常容易与带相反电荷的物质进行层层自组装构筑薄膜材料，但是目前钛酸盐纳米片基光催化材料还是以粉体为主，这严重限制了其应用范围。

申请号为201210075823.1的中国发明专利申请公开了一种硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂的制备方法，将表面带负电荷的氧化钛纳米片与二价镉离子静电自组装得到金属镉离子插层的层状相；将金属镉离子插层的层状相与硫代乙酰胺反应得到硫化镉-氧化钛纳米片复合光催化剂。该技术方案通过在氧化钛纳米片层间嵌入氧化镉，扩展其吸收光谱至可见光区域，实现可见光响应的目的，能够提高催化剂对太阳能的利用率。但是通过透明、柔性、无支撑光催化膜在过氧化氢辅助下提高光催化降解有机污染物的活性目前还没有相关报道。

发明内容

本发明提供了一种具有高活性的钛酸盐纳米片光催化膜材料及其制备方法和应用。本发明制备的钛酸盐纳米片光催化膜材料为无支撑透明、柔性光催化膜，在过氧化氢的辅助下，具有非常高的光催化降解有机污染物的活性，其制备方法简单，易推广，原料廉价、易得，有利于大规模生产。

本发明由以下技术方案实现：

一种钛酸盐纳米片光催化膜材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将含钛酸盐纳米片的溶胶加入到培养皿中或装有微孔滤膜的过滤器中，在培养皿中进行溶剂蒸发，或者，在过滤器中减压条件下对钛酸盐纳米片进行抽滤，形成钛酸盐纳米片膜；

2)将步骤1)中所得钛酸盐纳米片膜经酸性溶液浸泡，水洗涤后，干燥后，获得钛酸盐纳米片光催化膜材料。得到的钛酸盐纳米片光催化膜材料为无支撑透明、柔性光催化膜。

步骤1)中，所述的含钛酸盐纳米片的溶胶采用现有技术，所述的含钛酸盐纳米片的溶胶的制备包括：将层状质子化钛酸盐、乙胺以及水混合，得到含钛酸盐纳米片的溶胶。所述的层状质子化钛酸盐、乙胺与水的质量比为1：0.2～2：200～300。所述的层状质子化钛酸盐为H_0.7Ti_1.825O₄·H₂O、H_1.07Ti_1.73O₄·H₂O、HTi_1.75O₄·H₂O或者H_0.93Ti_1.77O₄·H₂O，均具有纤铁矿类型的层状结构。具有纤铁矿类型的层状钛酸盐，其钛氧八面体构成的金属氧化物板层在众多层状钛酸盐中具有最低的电荷密度，经有机胺或有机铵离子作用能有效剥离分层至二维单分子片层结构。层状质子化钛酸盐可按Sasaki等人提供的方法制备获得[Chem.Mater.,7(1995)1001-1007；Chem.Mater.,10(1998)4123-4128]。