[发明专利]负载有氧化钛纳米颗粒的碳基材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种负载有氧化钛纳米颗粒的碳基材料及其制备方法和应用，属于纳米材料技术领域。包括碳纳米材料和氧化钛纳米颗粒，氧化钛纳米颗粒负载在碳纳米材料表面；所述氧化钛纳米颗粒的平均粒径小于2纳米，具有增强的光催化效率。本发明利用光热化学反应在基体表面形成具有以化学或物理方式结合的超细纳米材料；同时用导电纤维为基材，还可以实现光电协同催化，激光诱导光热水解反应对导电纤维表面的碳基纳米材料产生局部热效应，促进超细氧化钛纳米颗粒在表面水解析出，该技术支持量化生产，成本低廉，具有广泛市场需求。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种负载在碳基材料表面高光催化活性的氧化钛纳米颗粒及其制备方法和应用。

背景技术

目前，有多种方法可以制备得到具有高光催化效率的氧化钛纳米颗粒，并且多数采用水热法。采用水热法制备的是锐钛矿型氧化钛纳米颗粒，具有较高的光催化效率。而采用钛酸丁酯酸性室温水解，可以制得氧化钛超细纳米颗粒或分子团簇，该超细纳米颗粒的尺寸小于2纳米，具有比锐钛矿型纳米颗粒高数倍的光催化效率。但由于这种颗粒尺寸较小，一般分离技术无法实现纯化，因此溶液中是超细纳米颗粒和较大纳米颗粒的混合物，超细纳米颗粒的高光催化效率未能充分发挥。同时，超细颗粒由于尺寸非常小，几乎无法回收。如果将其负载于介孔材料或碳基材料，不仅可以通过异质结间的电荷转移的耦合效应提高其光催化效率，还可以方便地实现对其纯化和回收。

氧化钛纳米颗粒与碳基纳米材料偶联，可以大幅提高氧化钛的光催化效率（H.Zhang,P25-graphene composite as a high performance photocatalyst, ACS Nano,2010, 4, 380-386）。碳基纳米材料具有很强的红外吸收特性，激光辐照可以对材料产生局部瞬态热效应。将碳纳米管、氧化石墨烯以较低的浓度分散在水溶液中，激光瞬间辐照对碳材料产生的热效应远高于溶液的热效应。因此，用红外激光对碳纳米材料辐照，只会影响碳材料或近邻溶液短时产生高温，而不影响远区溶液；并且激光辐照可以在微区局部实施辐照，形成任意可设计的局部光化学反应。

光催化纳米材料的一个主要应用是环境污水处理。为了高效利用纳米材料，需要将催化剂附着在比表面积大的基体材料表面。纤维材料由于具有大比表面积，成为主要负载基料，直接将光催化材料涂敷在纤维表面容易产生脱附。而用聚合物胶层固着催化剂则会产生表面覆盖，降低光催化效率，因此利用光热化学反应在基体表面原位形成具有化学或物理方式结合的超细纳米材料，可以解决上述问题。

发明内容

为了解决超细纳米颗粒水热反应热控制难题，本发明采用红外激光对强红外吸收碳纳米材料辐照以提供局域瞬间热效应，使得钛酸丁酯在碳纳米材料表面形成胶溶，通过激光辐照剂量控制超细纳米颗粒形成，从而提供了一种负载有氧化钛超细纳米颗粒的碳基材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种负载有氧化钛纳米颗粒的碳基材料，包括碳纳米材料和氧化钛纳米颗粒，其中，氧化钛纳米颗粒负载在碳纳米材料表面；

所述氧化钛纳米颗粒的平均粒径小于2纳米，具有增强的光催化效率。

进一步地，所述碳纳米材料为单壁碳纳米管或/和石墨烯。

上述负载有氧化钛纳米颗粒的碳基材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在4-8℃条件下，将钛酸丁酯与无水乙醇混合，混合液加至硝酸水溶液中，得到钛酸丁酯溶胶前驱体；

步骤2，在4-8℃条件下，将钛酸丁酯溶胶前驱体与碳基材料混合；

步骤3，在4-8℃条件下，采用红外激光对步骤2得到的混合材料进行处理，纯化后得到负载有氧化钛纳米颗粒的碳基材料。

进一步地，步骤1中，钛酸丁酯、硝酸、无乙醇和水的摩尔比为 0.2~0.5：0.10~0.22：0.40~0.60：15~22。

进一步地，步骤1中所述钛酸丁酯溶胶前驱体中加入有金属离子进行掺杂。