[发明专利]一种木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于复合纳米材料制备技术领域，公开了一种木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂及其制备方法和在光催化领域中的应用。本发明制备方法先把木质素磺酸盐与烷基三甲基溴化铵混合进行疏水改性，得到木质素复配物；将木质素复配物、钛醇盐加入乙醇中得到乙醇溶液，把乙醇溶液加入水溶液中，搅拌反应，得到木质素/TiO₂复合物；加热煅烧，得到木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂。本发明方法制备得到的木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂中二氧化钛粒径小，且分布均一，具有显著提高的光催化效率，对罗丹明溶液的降解速率是Degussa P25的7倍，可应用于光催化领域中，特别是在光催化降解有机污染物领域具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明属于复合纳米材料制备技术领域，特别涉及一种木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂及其制备方法和在光催化领域中的应用。

背景技术

近年来，随着社会的发展，纺织品、精细化工生产过程中排放的有机废水造成严重的环境污染问题，已受到全球科研工作者的高度重视。光催化技术作为一种新型有效的绿色技术，在环境和能源领域有着重要的应用前景。纳米二氧化钛作为一种优异的半导体材料，具有化学性质稳定、抗腐蚀、耐酸碱、廉价等优点，被广泛地用作光催化剂，可用于降解水中的有机污染物。

然而，二氧化钛的光催化活性受其禁带宽度的限制(金红石相的禁带宽度为3.0eV，而锐钛矿相的禁带宽度为3.2eV)，只能被波长小于380nm以下的紫外光所激发，太阳光利用率较低。另一方面，当TiO₂光催化剂受到太阳光照射时，激发产生的电子和空穴很容易在其表面和体内发生复合，导致光催化效率低。

碳材料具有良好的电子传输能力，并且对半导体材料具有一定的敏化作用，将半导体材料和碳材料复合在一起，可以在一定程度上克服上述缺陷。大量的研究表明，将碳材料(石墨烯、碳纤维、碳纳米管等)和TiO₂进行复合，可显著改善其光催化性能。文献(ACSApplied MaterialsInterfaces,2013,5(3):1156-1164.)公布了一种通过溶胶-凝胶法和水热法处理制备具有不同碳材料添加比例的TiO₂/碳(GR，CNT和C60)纳米复合材料的方法，并通过光催化降解苯甲醇研究了合成的TiO₂/碳复合材料的光催化性能，通过添加GR，CNT和C60都可以诱导可见光区域的光吸收强度增加，有效促进TiO₂/GR，TiO₂/CNT和TiO₂/C60纳米复合材料的可见光响应，并且促进光激发的电子-空穴对的有效分离，进而提高其光催化效率。中国专利CN 107308929A公布了《一种石墨烯-纳米二氧化钛复合物光催化剂》，其制备方法是先用石墨粉合成氧化石墨烯，再加入去离子水配置成氧化石墨烯溶液，接着加入十六烷基溴化铵溶液和三氯化钛溶液，高压反应釜中反应，然后沉淀，洗涤即得到产物。然而，以上碳基/TiO₂复合光催化剂的碳基材料(石墨烯、碳纳米管、富勒烯等)制备过程复杂且价格昂贵，制备过程中需要用到强酸强碱，环境污染严重；制备出具有一定形貌的碳基材料再与TiO₂复合，导致两者之间的结合力弱；同时，石墨烯等碳基材料自身易团聚，导致制备的复合光催化剂中碳基材料和二氧化钛分布不均。这些问题都大大限制了其光催化性能，阻碍了其商业应用前景。