活性炭掺杂二氧化钛纳米光催化剂的制备方法及应用与流程

技术领域

本发明属于光催化材料和有机污染物光降解领域，具体涉及活性炭掺杂二氧化钛纳米光催化剂的制备方法及应用。

背景技术：

TiO₂具有良好的生物、化学、光化学稳定性，已被广泛应用于废水处理、有害气体净化、化妆品制造、建筑材料、纺织用品、涂料、太阳能存储与转换、激光化学转化等领域。但是TiO₂是宽带导体，具有较宽的禁带宽度（3.0~3.2eV）,只有在近紫外光区才有活性。纯TiO₂对太阳光的利用率为4%，所以，近年来为了提高TiO₂的光电子效应和对太阳光的利用率，采用金属掺杂、染料的光敏化、贵金属的沉积等方法对TiO₂进行改性，但是由于染料和金属在自然水体中均有明确限制，甚至有的重金属含有明显毒性，用于光催化技术有风险。

活性炭是一种黑色多孔的固体炭质，由煤通过粉碎、成型或用均匀的煤粒经炭化、活化生产，比表面积较大，具有较强的吸附性能，为用途极广的一种工业吸附剂并且活性炭具有对光较强的吸收性能。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对纯TiO₂禁带宽度宽、太阳光利用率低的问题，提供一种活性炭掺杂二氧化钛纳米光催化剂的制备方法及应用，利用活性炭表面积较大，对可见光显著吸收的特性对TiO₂进行改性，制备得到的催化剂具有较高的光催化活性。

本发明的技术方案：

活性炭掺杂二氧化钛纳米光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）将无水乙醇、冰醋酸和钛酸丁酯按体积比为3:0.5~1:0.5~1混合均匀，再向混合液中逐滴加入乙醇水溶液，搅拌0.5~1.0小时，备用；

（2）将干燥过的活性炭溶于超纯水中，离心分离，取上层液体逐滴滴入步骤（1）制备得到的溶液中，搅拌0.5~1.0小时，备用；

（3）将步骤（2）制备得到的溶液转入微波反应器中进行微波反应，反应结束后，将产物离心分离，得到的固体清洗、干燥、研磨，即得活性炭掺杂二氧化钛纳米光催化剂。

进一步地，步骤（1）中，所述乙醇水溶液中乙醇与水的体积比为1:1~2。

进一步地，步骤（2）中，活性炭的干燥温度为60~80℃，干燥时间为12~24小时。

进一步地，步骤（2）中，所述上层液体与步骤（1）制备得到的溶液体积比为1:4~8。

进一步地，步骤（3）中，微波反应的条件为：微波功率120~160W，反应15~30分钟。

进一步地，步骤（3）中，固体干燥温度为60~80℃，干燥温度为12~24小时。

所述制备方法制备得到的活性炭掺杂二氧化钛纳米光催化剂在降解水中有机污染物的应用。

有益效果：

（1）本发明采用微波法制备活性炭掺杂的二氧化钛纳米光催化剂，原料廉价易得，制备过程操作简单，合成方便；

（2）制备得到的活性炭掺杂二氧化钛纳米光催化剂相对于纯的二氧化钛光催化剂具有较高的可见光活性，光催化效率更高；

（3）制备得到的活性炭掺杂二氧化钛纳米光催化剂相对于纯的二氧化钛光催化剂对可见光的吸收更好，更加有利于二氧化钛产生更多光电空穴对。

附图说明

图1为试验得到的活性炭改性二氧化钛光催化剂的SEM照片；

图2为试验三下的活性炭改性二氧化钛光催化剂紫外可见漫反射谱图（DRS图）；

图3为试验三下的活性炭改性二氧化钛光催化剂荧光光谱图（PL图）；

图4为实验四中活性炭改性二氧化钛光催化剂光催化降解活性曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。本发明采用的溶剂均为分析纯级，所述方法如无特别说明均为常规方法。

实施例1

活性炭掺杂二氧化钛纳米光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）将60ml无水乙醇、20ml冰醋酸和20ml钛酸丁酯混合均匀，再向混合液中逐滴加入乙醇水溶液（乙醇与水的体积比为1:1），持续搅拌0.5小时，备用；

（2）将10 mg活性炭放在烘箱中60℃干燥24小时后，溶于50 ml超纯水中，超声分散，取上层液体逐滴滴入步骤（1）制备得到的溶液中，搅拌0.5小时，备用；

（3）将步骤（2）制备得到的溶液转入微波反应器中，在120w的微波功率下，反应15分钟，将最终获得的产品离心分离，用超纯水与无水乙醇分别清洗三次，放在烘箱中60℃干燥12小时，研磨，即得1%活性炭掺杂的二氧化钛纳米光催化剂（1% AC@TiO₂光催化剂）。

采用扫描电子显微镜对制得的可见光响应型的1% AC@TiO₂光催化剂进行电镜扫描得到如图1所示的SEM图，从图1可以看出制得的可见光响应型的1% AC@TiO₂光催化剂为纳米片，表面有少量活性炭覆盖。

采用全自动荧光光谱仪对制得的可见光响应型的1%AC@TiO₂光催化剂进行表征，得到如图3所示的PL图，从图3可以看出实施例1制得的可见光响应型的1%AC@TiO₂光催化剂相对于纯TiO₂在激发波长下，产生的激发峰更低，因此更加有利于光电子与空穴分离，有助于对于污染物的降解，这是活性炭具有有效传导光电子能力的效果。活性炭改性二氧化钛光催化剂与二氧化钛光催化剂相比，荧光强度明显降低，说明通过活性炭改性二氧化钛光催化剂有效提高了光电子的分离效率。

采用紫外可见漫反射光谱仪对制得的可见光响应型的1%AC@TiO₂光催化剂进行电镜扫描，得到如图2所示的DRS图，从图2可以看出实施例1制得的可见光响应型的1%AC@TiO₂光催化剂相对于纯TiO₂光催化剂在可见光区对光的吸收明显增强，因此产生更多光电子与空穴分离，有助于对于污染物的降解。

实施例2

活性炭掺杂二氧化钛纳米光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）将60ml无水乙醇、20ml冰醋酸和20ml钛酸丁酯混合均匀，再向混合液中逐滴加入乙醇水溶液（乙醇与水的体积比为1:1），持续搅拌0.5小时，备用；

（2）将20 mg活性炭放在烘箱中60℃干燥24小时后，溶于超纯水中，超声分散，取上层液体逐滴滴入步骤（1）制备得到的溶液中，搅拌0.5小时，备用；

（3）将步骤（2）制备得到的溶液转入微波反应器中，在120w的微波功率下，反应15分钟，将最终获得的产品离心分离，用超纯水与无水乙醇分别清洗三次，放在烘箱中60℃干燥12小时，研磨，即得1%活性炭掺杂的二氧化钛纳米光催化剂（2% AC@TiO₂光催化剂）。

实施例3

活性炭掺杂二氧化钛纳米光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）将60ml无水乙醇、20ml冰醋酸和20ml钛酸丁酯混合均匀，再向混合液中逐滴加入乙醇水溶液（乙醇与水的体积比为1:1），持续搅拌0.5小时，备用；

（2）将4 mg活性炭放在烘箱中60℃干燥24小时后，溶于超纯水中，超声分散，取上层液体逐滴滴入步骤（1）制备得到的溶液中，搅拌0.5小时，备用；

（3）将步骤（2）制备得到的溶液转入微波反应器中，在120w的微波功率下，反应15分钟，将最终获得的产品离心分离，用超纯水与无水乙醇分别清洗三次，放在烘箱中60℃干燥12小时，研磨，即得1%活性炭掺杂的二氧化钛纳米光催化剂（0.4 % AC@TiO₂光催化剂）。

实施例4

活性炭掺杂二氧化钛纳米光催化剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）将60ml无水乙醇、20ml冰醋酸和20ml钛酸丁酯混合均匀，再向混合液中逐滴加入乙醇水溶液（乙醇与水的体积比为1:1），持续搅拌0.5小时，备用；

（2）将2 mg活性炭放在烘箱中60℃干燥24小时后，溶于超纯水中，超声分散，取上层液体逐滴滴入步骤（1）制备得到的溶液中，搅拌0.5小时，备用；

（3）将步骤（2）制备得到的溶液转入微波反应器中，在120w的微波功率下，反应15分钟，将最终获得的产品离心分离，用超纯水与无水乙醇分别清洗三次，放在烘箱中60℃干燥12小时，研磨，即得1%活性炭掺杂的二氧化钛纳米光催化剂（0.2 % AC@TiO₂光催化剂）。

实施例5

将实施例1~4制备得到的AC@TiO₂光催化剂用于氧化处理亚甲基蓝溶液。

降解步骤为：

步骤（1）：准确称取20mg的甲基蓝，将其溶于超纯水中，并定容至1000ml，制得20mg/L的亚甲基蓝溶液；

步骤（2）：用移液管准确移取50ml步骤（1）得到的亚甲基蓝溶液至反应器中，并分别加入40mg掺杂质量分数为纯活性炭（PAC）、TiO₂光催化剂和1% AC@TiO₂光催化剂，反应体系控制在25℃，分别调节催化剂浓度为0.8 g/L，在暗光处先吸附平衡半小时，使其达到吸附脱附平衡；

步骤（3）：以300w氙灯作为可见光源，将步骤（2）所得溶液在光照下进行光催化降解反应，每间隔5~30min时间取样，并用紫外-可见分光光度法测量亚甲基蓝吸光度，并计算其转化率。

结果如图4所示，可以看出当催化剂为1% AC@TiO₂时，催化效果最好。当活性炭含量不高时，随着活性炭含量的升高，复合材料的光催化效果逐渐增强，活性炭含量1%的时候效果最好；当活性炭含量为2%时，复合材料光催化活性明显降低，是由于活性炭过量导致光催化活性位点被覆盖，导致光催化效果明显降低，因为活性炭的引入对材料对可见光的吸收加强，并且活性炭还可以传导二氧化钛导带的电子，二氧化钛的光生电子与空穴分离效果增强。