[发明专利]一种TiO2纳米管复合SiO2气凝胶基光催化材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化材料合成技术领域，具体涉及一种TiO₂纳米管复合SiO₂气凝胶基光催化材料及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的进步和人类社会的发展，人们的生活水平在不断提高。但与此同时，能源危机和环境污染已成为全世界正待解决的两大问题。近年来，人们一直在寻找治理环境污染的方法，至今已发现许多，如高温焚烧法、物理吸附法、微生物处理法和化学氧化法等。虽然这些方法在一定程度上起到了治理污染的作用，但它们或多或少都存在一些固有的缺陷，不能从根本上去除污染物。1972年，日本的Fujishima和Honda首次利用TiO₂吸收太阳能发生光电催化反应将水分解为氧气和氢气，掀起了半导体光催化的研究热潮。目前人们己成功制备了ZnO、TiO₂、SnO₂等纳米结构的半导体光催化材料，并证实了其可用于光催化水分解、光催化降解有机物等领域。在众多半导体光催化材料中，TiO₂半导体材料因具有无毒、价格低廉、化学性质稳定、氧化能力强以及催化活性高等特点，使其在解决环境污染和缓解能源危机方面具有很大的优势，但同时其还存在一些不足，如光谱响应范围窄，TiO₂禁带宽度相对较宽，只能够被紫外光的光子能量激发，而紫外光能量只占整个太阳能的3％～4％，对太阳光的利用率仅在1％左右；TiO₂量子效率低，电子-空穴对在TiO₂体内和表面复合率高，降低了TiO₂的光催化效率。

TiO₂纳米管是TiO₂的一种结构形式，其孔道丰富，比表面积、吸附能力以及光催化活性都优于纳米TiO₂粉体。但正是由于TiO₂纳米管具有高的比表面积，两维方向均为纳米尺度，长径比小，使得其易相互缠结吸附团聚成微米级团聚体，导致紫外光不能穿过，仅能在表面上产生催化效应。其次，由于在纳米尺度下管体结构会互相搭接导通，电子跃迁产生的电位差会快速复合趋于平衡态，使其催化效率不显著。此外，由于纳米管材料细小，目前在应用研究时主要将TiO₂纳米管直接置于污染物中，催化分解后该材料随污染物直接排出，再生利用效率低。

发明内容

本发明的目的是针对TiO₂光催化现有技术中存在的不足，提供一种自动化程度高的TiO₂纳米管复合SiO₂气凝胶基光催化材料及其方法，该方法制得的TiO₂纳米管复合SiO₂气凝胶基光催化材料具有高的光催化活性和产率稳定性。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种TiO₂纳米管复合SiO₂气凝胶基光催化材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将钛白粉与NaOH溶液混合后置于反应釜中，然后在120～160℃下保温12～48h，然后自然冷却至室温，得到反应液；其中，钛白粉与NaOH的质量比为1：(8～20)；

步骤二、将反应液离心分离，得白色沉淀物，搅拌下用酸对白色沉淀物进行酸处理至pH值为4～6，然后洗涤至中性时进行离心分离得到下层沉淀，干燥，得到固体；

步骤三、将步骤二中得到的固体于400～600℃下，锻烧2～5h，然后研磨，得到TiO₂纳米管粉体；

步骤四、将TiO₂纳米管粉体与硅溶胶进行混合均匀后，在搅拌的条件下调节pH值为7～9，进行凝胶化处理，得到凝胶；其中，TiO₂纳米管粉体与硅溶胶的比为1g：4～6mL；

步骤五、将凝胶经无水乙醇陈化，然后采用低温超临界CO₂干燥，得到TiO₂纳米管复合SiO₂气凝胶基光催化材料。

所述步骤一中钛白粉为微米级或纳米级；所述步骤一中NaOH溶液的浓度为7～15mol/L；步骤一中是以0.5～5℃/min的速率的升温至120～160℃。

所述步骤二中酸为浓度0.2～2mol/L的盐酸、硝酸或草酸。

所述步骤二中搅拌的转速为400～800r/min，时间为2～3h；步骤二中干燥的温度为60～80℃。

所述步骤三中煅烧是在空气、氢气、氦气或者氩气氛围中进行的。