氣凝膠復合的光催化材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米材料制備領域，具體涉及一種T12納米管/S12氣凝膠復合的光催化材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]進入21世紀，隨著石油、化工和制藥等工業(yè)的飛速發(fā)展，隨著科學技術水平的進步和人類生活水平的提高，水污染、大氣污染嚴重威脅著人類的健康和生命，治理環(huán)境污染問題越來越成為世界各個國家的共同課題。特別是在發(fā)展中國家，環(huán)境污染日趨嚴重。作為新興的環(huán)境修復技術一一吸附/光催化材料作為綠色環(huán)保的降解材料，已成為材料科學和催化科學研宄領域的熱點。如M.哈姆勒公開了一種光催化組合物，其包含分散在連續(xù)相中的光催化二氧化鈦顆粒和至少一種抗光致變灰添加劑；付宏剛等公開了一種以一步溶劑熱法合成制備光解水制氫的鈦酸/T12納米復合材料的方法，該材料比表面積顯著增大，在紫外光下有良好的光解水制氫性能；陳希等人公開了一種共摻雜稀土離子的二氧化鈦光催化劑的制備方法，在二氧化鈦中同時摻雜釤離子和銪離子兩種稀土離子，離子和銪離子協(xié)同作用，顯著提高二氧化鈦光催化劑活性；華玉葉公開了一種磷酸改性二氧化鈦光催化劑的制備方法，采用磷酸提高二氧化鈦的可見光吸收率，該方法制備的催化劑可見光吸收率高。
[0003]T12由于具有較寬的禁帶寬度，良好的光電轉化和光催化性能、高的化學穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性而在光催化領域有著廣泛的應用前景。而1102納米管是T12的一種物質形式，相對于納米T12粉體，中空的T12納米管具有更大的比表面積，孔道豐富，具有更強的吸附能力，更高的光催化性能。但是，銳鈦礦型T12禁帶寬度為3.2eV，只有當它吸收了波長小于380nm的紫外光以后，才能顯示催化活性，而太陽光中的紫外光僅占太陽光譜的3% -5%,而且半導體載流子負荷率高，量子效率較低。單純的鈦納米管體積過小，直接分散到溶劑中催化效率低，如何提高打02納米管的催化性能是急需解決的一個問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服現(xiàn)有技術中的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種T12納米管/S12氣凝膠復合的光催化材料及其制備方法，制得的光催化材料具有較高的光催化活性及光催化利用率。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案:
[0006]一種T12納米管/S1 2氣凝膠復合的光催化材料的制備方法，包括以下步驟:
[0007]步驟一、將鈦白粉和NaOH溶液混合均勻后，在120?160°C下保持12?48h，然后自然冷卻至室溫，得到反應液；其中，鈦白粉與NaOH溶液中NaOH的質量比為1: (8?20)；
[0008]步驟二、將反應液離心分離得到白色沉淀物，向白色沉淀物中加入酸進行酸化，并攪拌至PH值為4?6時，再用去離子水洗滌至中性，然后離心分離，得到沉淀，將沉淀于60?80°C下干燥，得到固體粉末；
[0009]步驟三、將固體粉末在惰性氣氛中于400?600°C下鍛燒2?5h，然后研磨，得到T12納米管粉末；
[0010]步驟四、將T12納米管粉末與pH值為2?3的硅溶膠混合，超聲20?40min，然后攪拌下加入氨水溶液調節(jié)PH值以使T12納米管粉末與硅溶膠的混合物變?yōu)槟z，其中，T12納米管粉末與硅溶膠的比為5g: (20?30) mL ；
[0011]步驟五、將凝膠進行陳化、老化后采用三甲基氯硅烷和正己烷的混合溶液浸泡改性12?24h ;再進行干燥，得到T12納米管/S12氣凝膠復合的光催化材料。
[0012]所述步驟一中NaOH溶液的濃度為7?15mol/L。
[0013]所述步驟一中的120?160°C是自室溫以0.5?5°C /min的升溫速率進行升溫的。
[0014]所述步驟二中酸為鹽酸、硝酸或草酸，且濃度為0.2?2mol/L ;所述步驟二中攪拌是采用磁力攪拌進行的，并且攪拌的時間為2?3h。
[0015]所述步驟三中惰性氣氛為氮氣或氬氣。
[0016]所述步驟四中硅溶膠采用以下方法制得:將水玻璃經(jīng)強酸型苯乙烯系陽離子交換樹脂交換后放置水解22?26h，得到pH值為2?3的硅溶膠；所述步驟四中氨水溶液的濃度為 0.5 ?2mol/Lo
[0017]所述步驟四中加入氨水溶液調節(jié)pH值為7?9。
[0018]所述步驟五中陳化、老化的具體過程為:(I)采用無水乙醇老化10?20h ; (2)采用正硅酸乙酯和無水乙醇的混合液老化45?52h ; (3)采用正己烷老化20?30h ; (4)采用正硅酸乙酯和無水乙醇的混合液老化40?50h ; (5)采用正己烷老化22?30h。
[0019]所述正硅酸乙酯和無水乙醇的混合液中，正硅酸乙酯占正硅酸乙酯和無水乙醇的混合液的體積的70?80% ;三甲基氯硅烷和正己烷的混合溶液中三甲基氯硅烷占三甲基氯硅烷和正己烷混合溶液的體積的1/10?1/9 ;步驟五中干燥的溫度為30?40°C。
[0020]一種T12納米管/S12氣凝膠復合的光催化材料，該光催化材料的比表面積為500?900m2/g、平均孔徑為8?30nm、孔隙率>90%。
[0021]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有的有益效果:本發(fā)明首先水熱合成T12納米管，然后以T12納米管為離散相、S12氣凝膠為連續(xù)相基體通過溶膠-凝膠法制得凝膠，凝膠再經(jīng)陳化、老化以及改性，合成了 T12納米管/S12氣凝膠復合的光催化材料。本發(fā)明由于采用三甲基氯硅烷改性后制得的光催化材料中的硅氣凝膠為疏水型氣凝膠，則需經(jīng)400?600°C煅燒使復合材料表面的疏水基一一甲基氧化成羥基，變成親水性材料，使其具有光催化效應。本發(fā)明通過使T12納米管均勻的分布于S12氣凝膠的網(wǎng)絡結構中，并且利用二者的協(xié)同效應，使得制備的光催化材料兼具物理吸附和化學光催化降解有機物兩種性能，其光催化效率高于單一的T12納米管，光催化活性及光催化利用率得到大幅度提高，不僅為實現(xiàn)T12納米管的負載提供了必要條件，同時由于S12氣凝膠的比表面積大、孔隙率高、吸附性能優(yōu)異，使其可作為吸附劑高效吸附廢液中的重金屬、放射性元素等污染物，且具有凈化率高、二次污染少等特點，所以本發(fā)明制得的光催化材料可廣泛用于降解水中的有機污染物，處理大氣中的有害氣體，凈化室內(nèi)空氣等環(huán)境保護等領域。
[0022]本發(fā)明制得的T12納米管/S1 2氣凝膠復合的光催化材料在一定程度上改善光催化效率，即減少光生空穴——電子對的復合問題，并且制備方法具有操作簡單，成本低廉的特點。具體有如下優(yōu)點:
[0023]1.由于采用水熱法結合溶膠凝膠法，本發(fā)明制備的T12納米管/S12氣凝膠復合的光催化粉末材料較好地保持了鈦納米管的形貌，并且所采用設備簡單，操作安全，可以大量制備;
[0024]2.本發(fā)明制備T12納米管/S12氣凝膠復合的光催化粉末材料為多孔結構，利用孔結構優(yōu)異的表面物理化學特性，能夠在一定程度上提高其催化活性；同時以S12氣凝膠為載體，解決了納米催化劑的負載問題，且易回收，可循環(huán)使用，屬于環(huán)境友好型高性能材料；
[0025]3.本發(fā)明中二氧化鈦均勻的分布在3102氣凝膠的三維網(wǎng)絡結構中，在紫外燈照射下，T12納米管/S12氣凝膠復合的光催化粉末材料催化降解有機污染物如甲基橙效率高，是純二氧化鈦納米管光催化的I?5倍。
[0026]4.本發(fā)明中攪拌下加入氨水溶液，能夠快速形成具有一定強度的凝膠網(wǎng)絡，將分散的T12納米管固定在凝膠網(wǎng)絡中，從而保證制得的復合材料具有均一性。
【附圖說明】
[0027]圖1是實施例1和實施例2制備的1102納米管和T1 2納米管/S1 2氣凝膠復合的光催化材料的SEM照片。
[0028]圖2是實施例1和實施例2制備的T12納米管/S12氣凝膠復合的光催化材料的N2吸附-解吸等溫線。
[0029]圖3是實施例1和實施例2制備的T12納米管/S12氣凝膠復合的光催化材料的孔徑分布圖。
[0030]圖4是實施例1和實施例2制備的分別經(jīng)400°C和550°C煅燒后T12納米管對甲基橙的脫色率對比圖。
[0031]圖5是實施例1和實施例2制備的分別經(jīng)400°C和550°C煅燒后1102納米管與S12氣凝膠復合的光催化材料對甲基橙的脫色率對比圖。
【具體實施方式】
[0032]下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。
[0033]實施例1
[0034]步驟一、將鈦白粉(P25)和10mol/L的NaOH水溶液混合，然后加入到帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓釜中并將其攪拌均勻，再將高壓釜密封后置于烘箱中，自室溫以2°C/min的升溫速率升至120°C，保持2d，反應完成后使高壓釜在烘箱中自然冷卻至室溫，得到反應液。其中，鈦白粉與NaOH溶液中NaOH的質量比為1: 12。
[0035]步驟二、將反應液分離得到白色沉淀物，向白色沉淀物中加入0.2mol/L的鹽酸酸化，并磁力攪拌2h，待pH值為6時，用二次去離子水洗滌至中性，然后離心分離，得到沉淀，將沉淀于80°C下干燥，得到固體粉末；
[0036]步驟三、將固體粉末在氬氣氛圍中于400°C下鍛燒2h，然后研磨，得到T12納米管粉末