[发明专利]负载纳米二氧化钛薄膜的活性炭纤维及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种活性炭纤维负载均匀无裂纹、附着力强、薄膜厚度可控的致密纳米二氧化钛薄膜及其制备方法，以及该负载纳米二氧化钛薄膜的活性炭纤维用于光催化氧化水处理和空气处理的用途。

背景技术

活性炭纤维(ACF)是一种具有高效吸附活性的环保吸附材料，继粒状活性炭和粉状活性炭之后的第三代活性炭产品。活性炭纤维表面具有丰富的空介结构，扩散路径较短，其主要由2.0nm微孔组成，活性炭纤维直径范围为10～13μm，具有较大的吸附接触面积，吸附效率高。活性炭纤维的比表面大，吸附和脱附量大，可以有效吸附处理较宽浓度范围的气体和液体污染源。活性炭纤维被广泛应用在挥发性有机物(VOCs)和水处理净化等方面。但是，活性炭纤维在实际应用中吸附达到饱和状态后，需进行脱附处理活性炭纤维再生过程，常见的脱附过程有物理脱附过程和化学脱附过程。物理脱附过程效率低成本高，综合价值低；化学脱附过程是利用被吸附的污染物发生化学反应达到脱附的一种手段。高效率的脱附过程使得活性炭纤维活性位再生是扩大该吸附材料应用范围的有效手段。同时后段的脱附活化在一定程度上限制了活性炭纤维应用。

二氧化钛是一种宽禁带半导体，常见的晶型有锐钛矿、板钛矿和金红石三种。纳米二氧化钛半导体具有良好的稳定性和分散性，在光电子能照射下具有很强的氧化还原能力，成为促使各种有机物降解的光触媒催化剂，在光降解挥发性有机物(VOCs)和水处理方面发挥很大的作用。其紫外光响应光催化应用已扩展到新能源如太阳能敏化电池方面的应用，其具有更加广泛的实际应用前景。一维粉末纳米TiO₂存在易团聚、难回收等缺点，甚至产生二次污染，限制了TiO₂半导体材料的应用。目前TiO₂半导体研究方向主要是降低TiO₂半导体禁带宽度和改善TiO₂结构形态。

发明专利申请号CN03100058.4和专利申请号CN02147089.8分别提出在光滑的玻璃表面制备纳米二氧化钛薄膜，其采用传统的反胶束法制备透明二氧化钛薄膜，存在钛离子浓度低、难以有效控制纳米二氧化钛晶核生长以及对基底选择应用存在一定限制，使得在微米级的ACF表面不易形成均匀致密结构稳定的纳米薄膜；专利申请号CN200710013501.3中采用溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛薄膜，一定程度上存在纳米二氧化钛颗粒的团聚和脱落，难以在ACF表面形成均匀、厚度可控的纳米氧化钛薄膜；发明专利申请号CN201510635983.0采用硅烷偶联剂对活性炭纤维表面进行改性，然后在二氧化钛前驱体溶胶中浸渍得到TiO₂/ACF复合材料，其缺点是无法在ACF上制备得到纳米二氧化钛薄膜，ACF表面的二氧化钛颗粒发生团聚导致结构稳定性差。为改善TiO₂薄膜在ACF表面的物理结构性质，本发明提出了一种原位诱导反胶束法制备得到活性炭纤维负载均匀无裂纹、附着力强、薄膜厚度可控的致密纳米二氧化钛薄膜的光催化复合材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种活性炭纤维表面负载均匀无裂纹、附着力强、薄膜厚度可控的致密纳米二氧化钛薄膜复合光催化材料，在活性炭纤维表面负载均匀稳定的纳米二氧化钛薄膜的制备方法和该负载纳米二氧化钛薄膜的活性炭纤维在光催化氧化方面的应用，优选TiO₂/ACF复合材料净化空气的应用。

本发明的活性碳纤维表面负载无裂纹的纳米二氧化钛薄膜复合光催化材料，解决了活性炭纤维吸附过饱和问题，结合纳米二氧化钛光催化氧化还原性质降解活性炭表面吸附的有机物从而实现化学脱附过程。获得可循环利用的TiO₂/ACF纳米复合光催化材料，用于吸附降解挥发性有机物实现空气净化和水处理。

本发明的活性炭纤维负载均匀无裂纹、附着力强、薄膜厚度可控的致密纳米二氧化钛薄膜复合材料可通过原位诱导反胶束法制备，并负载到不同形貌和材质的活性炭纤维材料上。

本发明负载纳米二氧化钛薄膜的活性炭纤维复合材料的制备包括如下步骤：

(1)配制反胶束体系。在反胶束体系中按摩尔比水：表面活性剂为0.9～1.8加入环己烷中，搅拌90min后超声波中处理60min，制得热力学稳定的反胶束体系。

(2)配制活性位透明胶束。钛酸丁酯加入异戊醇中形成钛酸丁酯体积分数为30％的钛酸丁酯异戊醇溶液，依次添加二乙醇胺和水，制得活性位透明胶束；所述水用量按摩尔比为钛酸丁酯的2倍；二乙醇胺：水的摩尔比为0.6～1.7。