[发明专利]具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂及其制备方法与应用，其制备包括：称取钛粉溶于的过氧化氢溶液，加入硝酸和去离子水；水浴条件下持续磁力搅拌，得到混合溶液A；量取混合溶液A放入水热反应釜中，加入氢氧化钠溶液；将水热反应釜密封，在均相反应器中水热反应后，自然冷却至室温，将产品收集，再分别用去离子水和硝酸溶液洗涤，得到混合物B；将所述的混合物B烘干得到固体样品，将固体样品在马弗炉中煅烧，即得到花状二氧化钛光催化剂。本发明的具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂，相比较于工业级二氧化钛而言，光催化性能得到较大提升，可应用于光催化氧化单质汞领域。

技术领域

本发明属于钛基材料领域，涉及一种具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

人类社会的经济发展离不开能源的供给。常见的化石能源有煤，石油和天然气，而我国的能源供给主要由煤炭提供。煤炭的成分比较复杂，主要有碳、氢、氧、氮和硫等，此外，还有极少量的磷、氟、氯、砷和汞等元素。煤的燃烧，必然伴随有大量空气污染物的生成。以我国的燃煤电厂为例，其锅炉尾部烟气中常含有二氧化硫、氮氧化物、粉尘和重金属污染物等烟气污染物。二氧化硫溶于水中会形成亚硫酸，一定条件下会进一步氧化生成硫酸，这些都将形成酸雨，并严重危害农作物与建筑物的安全。此外，氮氧化物在大气中可形成硝酸和硝酸盐细颗粒物，同硫酸和硫酸盐细颗粒物一起，发生远距离传输，从而加速了区域性酸雨的恶化。重金属汞污染，会对人类中枢神经系统造成伤害，易产生神智错乱、呼吸困难、甚至死亡。这些污染物对人类生存环境造成严重威胁，亟需开发有效技术手段从源头控制其排放。

以重金属汞污染物为例，其在燃煤烟气中主要有三种形态：单质汞、氧化态汞和颗粒态汞。氧化态汞易溶于水，可结合石灰石-石膏湿法烟气脱硫(WFGD)系统联合脱除。颗粒态汞，则可由传统的除尘器捕获。而单质汞，由于其化学状态稳定，不溶于水，是最难脱除的。将烟气中的单质汞氧化成氧化态汞，再结合已有的脱硫塔对其进行联合脱除，成为一种可行的脱汞手段。考虑到在静电除尘器(ESP)中含有高强度的紫外光辐射，因此可采取光催化技术光催化氧化单质汞。开发成本低廉而高效的光催化剂是光催化技术的核心所在。二氧化钛(TiO₂)是应用最广泛的光催化剂，其晶相、结构、形貌和颗粒度对二氧化钛的光催化性能影响很大。工业级二氧化钛(P25)，其比表面积较小，不利于活性点位的分散，降低了催化剂表面与目标污染物的碰撞概率，削弱了反应的进行。相比之下，具有纳米结构的花状二氧化钛光催化剂在基本结构和形貌方面具有一定的优势，其对单质汞的光催化氧化效果优于普通的P25粉末。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术对燃煤烟气汞脱除效果不佳的问题，提供一种具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂及其制备方法与应用。

本发明提供了一种具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将钛粉溶于30％过氧化氢溶液中，加入稀硝酸，去离子水，在80℃水浴条件下，持续磁力搅拌2h，自然冷却至室温后，得到混合溶液A；

(2)将混合溶液A放入水热反应釜中，加入氢氧化钠溶液，然后密封水热反应釜，在均相反应器中150℃条件下水热反应5h；自然冷却至室温，将产品收集后，分别用去离子水和0.1mol/L硝酸溶液洗涤3次，得到混合物B；

(3)将步骤(2)制得的混合物B在烘箱中80℃条件下烘干12h，得到固体样品；将固体样品在马弗炉中500℃条件下煅烧2h，即得到具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂。

优选地，所述步骤(1)中的稀硝酸浓度为5mol/L，且钛粉、过氧化氢溶液、稀硝酸、去离子水之间的用量比例为0.1g:139mL:1.1mL:9.9mL。

优选地，所述步骤(2)中氢氧化钠溶液的浓度为100mol/L，混合溶液A与氢氧化钠溶液的体积比为3.6:1。