[发明专利]一种纳米金属单质/TiO2-水凝胶基光催化材料的一步辐射合成法

说明书

本发明涉及环境处理和光敏抗菌技术领域，尤其涉及一种纳米金属单质/TiO₂‑水凝胶基光催化材料的一步辐射合成法。其包括以下步骤：（1）将包含水凝胶材料、纳米TiO₂的混合分散液进行先冷冻、再解冻的操作，所述操作重复至少一次，得到预交联纳米TiO₂复合水凝胶；（2）将所述预交联纳米TiO₂复合水凝胶和金属离子水溶液进行电离辐射，得到纳米金属单质/TiO₂‑水凝胶基光催化材料。本发明以金属离子修饰TiO₂并使用水凝胶作为TiO₂的分散载体以提高其光催化性能，同时克服传统技术使用化学交联法与化学还原法制备水凝胶催化材料过程中出现的影响水凝胶催化稳定性的问题。

技术领域

本发明涉及环境处理和光敏抗菌技术领域，尤其涉及一种纳米金属单质/TiO₂-水凝胶基光催化材料的一步辐射合成法。

背景技术

纳米TiO₂半导体氧化物在光催化反应领域，已引起了人们的极大关注。当TiO₂半导体吸收了能量大于禁带宽度的光能后，价带电子被激发至导带，产生电子一空穴对，光生空穴具有强氧化性，它能促使许多化学反应发生，如光还原、光催化、光有机合成等。然而，纳米TiO₂在可见光区的光催化性能并不好，为了适应更加宽泛的使用条件和应用范围，对纳米TiO₂的结构改性和表面修饰受到了更多的关注和研究。目前纳米TiO₂的表面改性研究主要有掺杂过渡金属离子、非金属元素等手段和利用光敏试剂对可见光有较强的吸收，光激发后可将电子转移给TiO₂而达到可见光光催化的目的。纳米金属单质是一种稳定的纳米晶粒。纳米金属单质激发态上的电子可以有效地注入到TiO₂导带中，减少电子与空穴复合的机会，提高电荷的分离效果，扩其光谱响应的范围，增强TiO₂光催化效率。

纳米TiO₂的另一局限性是：粒径小、比表面大、表面能高，纳米粒子很容易团聚。纳米TiO₂与表面能比较低的基体的亲和性差，二者在相互混合时不能相溶，导致界面出现空隙，存在相分离现象。为了确保纳米TiO₂粒子在材料中以纳米级的尺寸存在，必须借助于良好的分散载体来提高光催化性能，以达到应用之目的。水凝胶是介于液体和固体之间的三维多孔网络或互穿多孔网络，是一种能显著地溶胀于水，但在水中并不能溶解的亲水聚合物凝胶，水凝胶虽然含有大量水分，却能像固体一样显示出一定的形状，已经广泛应用于药物、催化、生物、医学等方面的材料载体。同步辐射合成的纳米金属单质可均匀分布在负载在凝胶骨胶中的纳米TiO₂表面，对纳米TiO₂进行有效的修饰且不易流失，从而对纳米金属单质/TiO₂催化材料起到有效的固载作用。

传统的水凝胶催化材料普遍采用化学交联法与化学还原法。但是该法制备的水凝胶不仅易在水体中释放残余的剧毒交联剂与还原剂，而且会出现不均匀交联，局部发生“烧焦现象”，并且化学交联难以控制交联度；其次化学还原法制备的量子点不仅不能均匀分布在凝胶骨胶体系，而且其与凝胶分子间的作用力太弱甚至没有，让其易从凝胶孔洞中流失,从而影响了水凝胶的催化稳定性，制约了水凝胶作为多功能材料的应用。为克服化学交联法与化学还原法带来的不足，纳米金属单质/TiO₂-水凝胶基光催化材料的一步辐射合成法应运而生。