[发明专利]一种黑色二氧化钛/碳材料复合材料及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种黑色二氧化钛/碳材料复合材料及制备方法与应用，属于二氧化钛材料制备领域。将碳材料和钛源分散于有机溶剂中，并加入表面活性剂混合均匀，然后滴加碱性水溶液使钛源反应生成二氧化钛，并附着在碳材料表面；反应完成后，经离心、洗涤、干燥得到二氧化钛/碳材料固体粉末；将制得的粉末低温煅烧除去有机物，然后在一定温度下氢气气氛中煅烧制得黑色二氧化钛/碳材料复合材料。所述黑色二氧化钛/碳材料复合材料应用于降解有机物，具有较高的催化活性，且具有工艺简单，成本低，无二次污染。

技术领域

本发明属于二氧化钛材料制备领域，更具体地，涉及一种黑色二氧化钛/碳材料复合材料及制备方法与应用。

背景技术

能源和环境问题是当今制约人类发展的重大问题，二氧化钛具有光催化活性高，化学性质稳定等特性，在清洁能源、环境治理等方面具有广泛的应用，是光催化材料研究应用的热点。

然而，二氧化钛作为一种重要的半导体材料，其室温下的带隙宽度为3.2eV(锐钛矿)。其带隙宽度较大使其只能对紫外光吸收，而对太阳光中占比很大的可见光无法吸收利用。同时，二氧化钛在光催化反应过程中光生电子空穴对容易发生复合，这两个缺点限制了二氧化钛的应用。

为此，现有技术中已经对其提出了一些解决方案。例如，CN 104084186 A、CN106732504 A、CN 107899560 A、CN 108097230 A中公开的石墨烯/ 二氧化钛光催化复合材料及其制备方法，使二氧化钛分散于石墨烯片层上，从而提高电子-空穴分离时间，提高光催化剂的光催化性能，但其对二氧化钛光催化材料可见光利用率低的缺点未进行改善；CN107138161 A、CN 102249300 A、CN 103964503 A中公开的黑色二氧化钛制备方法，可有效提高二氧化钛光催化材料的可见光吸收效率，但在光催化过程中光生载流子容易发生复合，影响催化效率的提高。因此，已有的研究方法在一定程度上改善了二氧化钛的光催化性能，但在一些关键难题中如可见光吸收效率、光生载流子易复合等问题上还存在问题。

发明内容

本发明解决了现有技术中二氧化钛光催化材料可见光利用率低和光生载流子容易发生复合的技术问题。

按照本发明的第一个方面，提供了一种黑色二氧化钛/碳材料复合材料的制备方法，含有以下步骤：

(1)将钛源和碳材料分散于有机溶剂中，加入表面活性剂，得到混合溶液；

(2)向步骤(1)中得到的混合溶液中滴加碱性水溶液，使混合溶液中的钛源水解得到二氧化钛；然后进行离心，弃上清取沉淀，将沉淀进行洗涤和干燥，得到粉末状的二氧化钛/碳材料复合材料；

(3)将步骤(2)中制得的粉末状的二氧化钛/碳材料复合材料在空气气氛下加热除去残留的有机物，然后在氢气气氛中煅烧，制得黑色二氧化钛/碳材料复合材料。

优选地，步骤(3)所述煅烧的温度为400℃-1000℃，煅烧的时间为60 min-120min，煅烧过程中氢气气氛的压强为0.01MPa-5MPa。

优选地，步骤(1)所述碳材料为石墨烯、碳纳米管、碳纤维或活性炭；

优选地，所述石墨烯为二维石墨烯或三维石墨烯。

优选地，步骤(1)所述钛源为钛酸四丁酯、异丙醇钛、乙醇钛、四氯化钛、四溴化钛和硫酸钛中的至少一种；步骤(2)中所述碱性水溶液为氨水溶液、氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、氢氧化钙水溶液、碳酸铵水溶液、碳酸氢铵水溶液、碳酸钾水溶液和碳酸氢钠水溶液中的至少一种；步骤(2)中所述水解的时间为10min-60min；步骤(2)所述干燥的温度为50℃-90℃，干燥的时间为2h-10h。

按照本发明的另一方面，提供了任一所述方法制备得到的黑色二氧化钛/碳材料复合材料，其所述复合材料含有黑色二氧化钛颗粒和碳材料，所述黑色二氧化钛颗粒负载在碳材料表面；所述黑色二氧化钛掺杂了氢原子。