一种硅藻土基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及光催化技术领域，特别涉及一种硅藻土基复合材料及其制备方法。

背景技术：

硅藻土是中国重要的非金属矿产资源之一，已探明其储量居世界第二和亚洲首位。硅藻土是由海洋湖泊中生长的硅藻类残骸在水底沉积，经自然环境作用逐渐沉积形成，主要矿物成分是其蛋白石及其变种，化学成分主要是sio2，并含有少量al2o3、fe2o3、cao、n2o、mgo等。硅藻土种类很多，主要有直链型、圆筛型、冠盘型、羽纹型等。硅藻土具有质量轻，比表面积大，孔隙率高，吸附液体能力强，化学稳定性高等诸多优异性能，因此在国内外已得到了广泛开发与应用。过去，对硅藻土的开发主要是较为粗犷的用于建筑材料、，过滤填料等低附加值材料，但硅藻土有别于其他三维多孔材料，其在纳米乃至微米尺度的三维结构(如孔、脊或管状结构)上表现出高度的规律性和精确的重现性，呈现出天然大孔/介孔型孔结构，故其具有高韧性、高耐热性及耐酸性等物理化学性能，且其价格低廉，有着许多潜在的用途。但与国外较为成熟的技术相比，国内的研究仍处于滞后、落后的地位，仍有较大差距。硅藻土产品档次低，且国内品种较为单一，以硅藻土助滤剂为代表的高附加值产品较少，特别是以硅藻土为原料制备功能材料的研究更显不足。

tio2常被用作光催化剂去除大气中的有害气体，常用的tio2的光学性能虽然稳定，但其带隙能较大，达3.2ev，要在小于或等于387.5nm的紫外光下才能被激发。另外一个影响该半导体催化剂催化效率的重要因素是光生电子和光生空穴的复合，由于电子与空穴极易复合，势必会降低高活性氧化基团的产率，导致催化剂催化能力的下降。另外，由于二氧化钛具有很强的亲水性，且超细二氧化钛容易团聚，导致催化能力下降，因此，需要对催化剂改性。基于此，现有技术提出以硅藻土为载体去负载tio2，将二者配合，结合tio2的作用和硅藻土的优势，从一定程度上改善了光催化性能，既对tio2做出了改进，又利用了硅藻土的上述优势，提升了其附加价值。

然而，随着环保要求的日益严格，对各种治理环境的材料也提出了更高的性能要求，tio2/硅藻土光催化剂的催化净化效果已逐渐不能满足要求，如何提高其催化净化效率已成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种硅藻土基复合材料及其制备方法。本发明提供的硅藻土基复合材料能够提高光催化效率，提升对nox的去除效果。

本发明提供了一种硅藻土基复合材料，包括活性组分和载体；

所述活性组分为纳米tio2、纳米bi单质和石墨烯；

所述载体为硅藻土。

优选的，所述载体与活性组分的质量比为(40～60)∶(38～62)。

优选的，所述纳米tio2、纳米bi单质和石墨烯的质量比为(20～30)∶(15～25)∶(3～7)。

优选的，所述硅藻土的壳体尺寸为5～50μm，比表面积为1～30m²/g。

优选的，所述纳米tio2的粒度为50～300nm；

所述纳米bi单质的粒度为300～500nm。

优选的，所述硅藻土为提纯后的硅藻土；

所述提纯后的硅藻土通过以下方式获得：

将硅藻土酸处理后，于300～600℃下煅烧1～24h，得到提纯后的硅藻土。

本发明还提供了一种上述技术方案所述的硅藻土基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a)利用化学气相沉积法在硅藻土上沉积生长石墨烯，得到石墨烯-硅藻土复合物；

b)将所述石墨烯-硅藻土复合物与钛源化合物及铋源化合物进行水热反应，得到硅藻土基复合材料。

优选的，所述钛源化合物为tif4；所述铋源化合物为硝酸铋。

优选的，所述步骤b)包括：

b1)将所述石墨烯-硅藻土复合物分散在溶剂中后，调节ph至1～11，得到基液；

b2)将所述基液与钛源化合物溶液及铋源化合物混合，进行水热反应，得到硅藻土基复合材料。

优选的，所述水热反应的温度为120～220℃，时间为4～36h。

本发明提供了一种硅藻土基复合材料，包括活性组分和载体；所述活性组分为纳米tio2、纳米bi单质和石墨烯；所述载体为硅藻土。本发明以硅藻土为载体，以纳米tio2、纳米bi单质和石墨烯为活性组分，其中，bi单质颗粒与纳米tio2复合形成异质结，通过等离子效应，利于光生电子分离、提高光催化性能，同时，硅藻土基材料上负载的石墨烯能够与tio2颗粒搭配，提高导电性能，三种活性组分在硅藻土载体上发挥协同作用，显著提升了材料的光催化效率，提高了对nox的去除效果。

试验结果表明，本发明提供的硅藻土基复合材料，30min内能够使nox的去除率能够达到40％以上，表现出优异的光催化效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为实施例1所得硅藻土基复合材料的eds元素分析图；

图2为实施例1所得硅藻土基复合材料的sem测试图；

图3为对比例1所得复合材料的xrd测试图；

图4为对比例1所得复合材料的sem测试图；

图5为对比例2所得复合材料在2000倍率下的sem测试图；

图6为对比例2所得复合材料在3000倍率下的sem测试图；

图7为实施例2的测试效果图。

具体实施方式

本发明提供了一种硅藻土基复合材料，包括活性组分和载体；

所述活性组分为纳米tio2、纳米bi单质和石墨烯；

所述载体为硅藻土。

本发明提供的硅藻土基复合材料中，以硅藻土为载体，以纳米tio2、纳米bi单质和石墨烯为活性组分，其中，bi单质颗粒与纳米tio2复合形成异质结，通过等离子效应，利于光生电子分离、提高光催化性能，同时，硅藻土基材料上负载的石墨烯能够与tio2颗粒搭配，提高导电性能，三种活性组分在硅藻土载体上发挥协同作用，显著提升了材料的光催化效率，提高了对nox的去除效果。

本发明中，所述硅藻土的种类没有特殊限制，为本领域技术人员熟知的类型即可，如直链型、圆筛型、冠盘型或羽纹型等。本发明中，所述硅藻土的壳体尺寸优选为5～50μm，更优选为25～35μm，进一步优选为30μm。所述硅藻土的比表面积优选为1～30m²/g，更优选为1～10m²/g，更优选为2.73m²/g。采用上述尺寸范围内的硅藻土能够与本发明中的活性组分较好的结合，有助于提升光催化效果的发挥，若壳体尺寸过小，不利于材料分散、易导致堆积，若壳体尺寸过大，不利于活性组分的可控均匀负载，过小或过大均会导致整体复合材料光催化效果降低。本发明对所述硅藻土的来源没有特殊限制，为本领域技术人员熟知的一般市售品即可。

本发明中，所述硅藻土优选为提纯后的硅藻土。所述提纯后的硅藻土通过以下方式获得：将硅藻土酸处理后，于300～600℃下煅烧1～24h，得到提纯后的硅藻土。所述煅烧的温度更优选为400～500℃，煅烧时间更优选为3～6h。提纯后的硅藻土能够去除硅藻土中的杂质，有利于本发明中活性组分的均匀负载，进而有利于提升复合材料的光催化性能。

所述酸处理优选包括：将硅藻土、水、酸液混合，在90～110℃下反应2～5h；之后进行第二次加水，继续反应0.5～1.5h，得到酸处理硅藻土。其中，所述酸液优选为硫酸液、硝酸液和盐酸液中的一种或几种；所述酸液的质量百分浓度优选为35wt％～45wt％，所述酸液与硅藻土的质量比优选为(45～55)∶(4～6)。第一次加水的加水量与硅藻土的用量比优选为(4～6)g∶50ml；第二次加水的加水量与硅藻土的用量比优选为(4～6)g∶75ml。所述反应优选在磁力搅拌条件下进行。

在上述酸处理后，优选还进行过滤和洗涤处理。所述洗涤优选用去离子洗涤，优选洗涤至ph为7。在上述过滤和洗涤处理后，进行煅烧。通过煅烧除去硅藻土中有机残留物，得到白色固体粉末，即为纯净的硅藻土。

本发明中，所述活性组分为纳米tio2、纳米bi单质和石墨烯。其中，所述纳米tio2的粒度优选为50～300nm。所述纳米bi单质的粒度优选为300～500nm。bi单质颗粒与纳米tio2在硅藻土上复合形成异质结，通过等离子效应，利于光生电子分离、提高光催化性能；同时，硅藻土基材料上负载的石墨烯能够与tio2颗粒搭配，提高导电性能，三种活性组分在硅藻土载体上发挥协同作用，显著提升了材料的光催化效率，提高了对nox的去除效果。试验结果表明，而将三种活性组分中任意两种搭配，30min内nox的去除率均难以达到30％，而本发明将三种活性组分搭配，30min内能够使nox的去除率能够达到50％左右，可见，三种活性组分于硅藻土载体上发挥了协同作用，显著提升了光催化效果。

本发明中，所述载体与活性组分的质量比优选为(40～60)∶(38～62)，更优选为(40～55)∶(46～62)。

本发明中，所述活性组分中，纳米tio2、纳米bi单质和石墨烯的质量比优选为(20～30)∶(15～25)∶(3～7)，更优选为(24～30)∶(18～25)∶(4～6)，最优选为25∶20∶5。

本发明提供的硅藻土基复合材料中，以硅藻土为载体，纳米tio2、纳米bi单质和石墨烯为活性组分，硅藻土使上述三种活性组分上均匀分布、结构稳定，三种活性组分在载体上发挥协同作用，能够显著提升材料的光催化效果。

本发明还提供了一种上述技术方案中所述硅藻土基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a)利用化学气相沉积法在硅藻土上沉积生长石墨烯，得到石墨烯-硅藻土复合物；

b)将所述石墨烯-硅藻土复合物与钛源化合物及铋源化合物进行水热反应，得到硅藻土基复合材料。

按照本发明，先利用化学气相沉积法在硅藻土上沉积生长石墨烯，得到石墨烯-硅藻土复合物。

其中，硅藻土的种类、来源及与石墨烯的用量配比等均与上述技术方案中所述一致，在此不再赘述。

本发明中，在进行化学气相沉积前，优选先对硅藻土进行提纯。所述提纯的操作、条件参数等与上述技术方案中所述一致，在此不再赘述。经提纯处理后，以提纯后的纯净硅藻土进行后续化学气相沉积。

本发明中，所述化学气相沉积法以硅藻土为基体，通过碳源在其表面高温分解生长石墨烯。本发明中，所述碳源优选为烃类气体，更优选为甲烷、乙烯和乙炔中的一种或几种。本发明中，所述烃类气体的添加量，以目标产物硅藻土基复合材料中石墨烯与硅藻土比例为准，通过本领域技术人员熟知的常规化学计量计算即可获得。本发明中，所述化学气相沉积法中的载气优选为氢气和惰性气体中的一种或几种。本发明对所述惰性气体的种类没有特殊限制，为本领域技术人员熟知的常规惰性气体即可，如氦气、氖气、氩气、氪气、氙气等。本发明中，所述化学气相沉积法的生长气压优选为101.325kpa。所述化学气相沉积法的生长温度优选为1000℃。经上述气相沉积，在硅藻土基体表面生长沉积了石墨烯，得到石墨烯-硅藻土复合物。

按照本发明，在得到石墨烯-硅藻土复合物后，将所述石墨烯-硅藻土复合物与钛源化合物及铋源化合物进行水热反应，得到硅藻土基复合材料。

本发明中，所述钛源化合物优选为tif4。所述铋源化合物优选为硝酸铋。本发明中，所述钛源化合物及铋源化合物的添加量，以目标产物硅藻土基复合材料中tio2、bi单质与硅藻土比例为准，通过本领域技术人员熟知的常规化学计量计算即可获得。本发明对所述钛源化合物及铋源化合物的来源没有特殊限制，为一般市售品即可。所述水热反应的温度优选为120～220℃，更优选为180℃。所述水热反应的时间优选为4～36h，更优选为24h。

本发明中，作为优选，先将石墨烯-硅藻土复合物分散在溶剂中，调节ph至1～11，获得基液。

其中，所述溶剂优选为乙二醇、乙醇和水中的一种或几种。所述石墨烯-硅藻土复合物与溶剂的用量比优选为(0.05～0.2)g∶30ml。将石墨烯-硅藻土复合物在溶剂中分散均匀后，调节混合体系的ph值至1～11，更优选调节至ph值为2～5，最优选调节至ph值为3。调节ph值的试剂种类没有特殊限制，为本领域技术人员熟知的ph值调节剂即可；在本发明的一些实施例中，采用硝酸调节ph值。调节ph值后，得到基液。

本发明中，得到基液后，优选将所述基液与钛源化合物溶液及铋源化合物混合，进行水热反应，得到硅藻土基复合材料。

其中，所述钛源化合物及铋源化合物的种类与上述技术方案中所述一致，在此不再赘述。

所述钛源化合物溶液的浓度优选为0.01～0.1m。所述混合优选采用磁力搅拌。所述混合的时间优选为5～30min。混匀后，进行水热反应。所述水热反应的温度和时间与上述技术方案中所述一致，在此不再赘述。经水热反应，形成硅藻土基复合材料。

本发明中，经水热反应后，优选将所得产物进行洗涤和干燥。所述干燥的温度优选为50～100℃，更优选为60℃。经上述洗涤和干燥后，得到干净的硅藻土基复合材料，该复合材料以硅藻土为基体，负载有纳米tio2、纳米bi单质和石墨烯，三者在硅藻土基体上均匀分布、结构稳定。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

1.1样品的制备

取5g硅藻土在磁力搅拌条件下加入含有50ml去离子水的三口烧瓶中，然后逐滴滴加50g硫酸溶液(浓度为40wt％)，然后置于油浴中，在100℃下磁力搅拌反应4h，之后再加入75ml去离子水，继续反应1h，得到酸处理的硅藻土。将所得酸处理的硅藻土经过滤、去离子水洗涤至ph为7后，置于管式炉中，于450℃下煅烧3h，得到白色固体粉末，即为纯净的硅藻土。

在管式炉中，将0.7g纯净硅藻土于氩气和氢气条件下从室温加热至1000℃，加热87分钟后，通入甲烷气体(氩气、氢气和甲烷的体积比为100∶10∶1)，使硅藻土在1000℃下反应1小时，之后停止甲烷、氢气供应，自然降温至300℃再快速降温，得到石墨烯-硅藻土复合物。

取0.08g石墨烯-硅藻土复合物分散在30ml乙二醇溶液中，用硝酸调节ph为3，然后加入4mltif4溶液(浓度为0.04m)和1mmol硝酸铋，用磁力搅拌器搅拌10分钟后，进行水热反应，反应温度为180℃，反应时间为24小时。反应后的产物用水和乙醇清洗，再于60℃下干燥，得到硅藻土基复合材料。

1.2样品的表征

(1)对所得硅藻土即复合材料进行能谱(eds)分析，结果如图1所示，图1为实施例1所得硅藻土基复合材料的eds元素分析图。由图1可以看出，该硅藻土基复合材料中包含si，tio2，bi和c。所得硅藻土基复合材料中，硅藻土含量为50wt％，纳米tio2含量为25wt％，bi单质含量为20wt％，石墨烯含量为5wt％。

(2)对所得硅藻土即复合材料进行扫描电镜(sem)测试，结果如图2所示，图2为实施例1所得硅藻土基复合材料的sem测试图。由图2可以看出，硅藻土基体呈层状，与片层状石墨烯穿插结合，其上均匀分布有纳米颗粒。

对比例1

1.1样品的制备

按照实施例1中的制备过程制备石墨烯-硅藻土复合物。

取0.08g石墨烯-硅藻土复合物分散在30ml乙二醇溶液中，然后加入2mltif4溶液(浓度为0.04m)，用磁力搅拌器搅拌10分钟后，进行水热反应，反应温度为180℃，反应时间为4小时。反应后的产物用水和乙醇清洗，再于60℃下干燥，得到tio2/石墨烯/硅藻土复合材料。

1.2样品的表征

(1)对所得复合材料进行x-射线衍射(xrd)测试，结果如图3所示，图3为对比例1所得复合材料的xrd测试图。由图3可以看出，所得复合材料包括硅藻土、tio2。

(2)对所得复合材料进行扫描电镜(sem)测试，结果如图4，图4为对比例1所得复合材料的sem测试图。可以看出，硅藻土基体呈层状，与片层状石墨烯穿插结合，其上均匀分布有纳米颗粒。

对比例2

1.1样品的制备

按照实施例1中的制备过程提纯硅藻土，获得提纯后的硅藻土。

取0.08g提纯后的硅藻土分散在30ml乙醇溶液中，加入2mltif4溶液(浓度为0.04m)，用磁力搅拌器搅拌10分钟后，进行水热反应，反应温度为180℃，反应时间为4小时。反应后的产物用水和乙醇清洗，再于60℃下干燥，得到tio2/硅藻土复合物。

取0.05gtio2/硅藻土复合物分散在15ml溶液中(溶液中次磷酸钠：酒石酸：水的质量比为5:15:80)，用磁力搅拌器搅拌10分钟后，加入15ml硝酸铋溶液(含硝酸铋1.5mmol)，在60℃下反应10h。反应后的产物用水和乙醇清洗，再于60℃下干燥后冷却，得到bi/tio2/硅藻土复合材料。

1.2样品的表征

对所得复合材料进行扫描电镜(sem)测试，结果如图5和图6所示，图5为对比例2所得复合材料在2000倍率下的sem测试图，图6为对比例2所得复合材料在3000倍率下的sem测试图。可以看出，硅藻土基体呈层状，基体表面分布有纳米颗粒。

实施例2

对硅藻土、实施例1所得复合材料、对比例1所得复合材料、对比例2所得复合材料进行光催化活性测试，如下：

分别称0.10g样品置于烧杯中，加入30ml去离子水，超声分散5min后，转移至直径为12cm的玻璃圆盘中(测活性时平行放置2个)，60℃下烘干备用。将上述负载在玻璃圆盘中的样品置于连续流反应器内测定光催化净化nox性能。

具体测试过程如下：

将负载有样品的玻璃圆盘放置于5.4l长方体(30cm×15cm×12cm)光催化反应器内，反应器上表面盖上石英玻璃密封，石英玻璃上方放置150w金属卤化物灯，灯下方安装紫外滤光片(λ＞420nm)，由此获得稳定的可见光，作为光催化反应的激发光源。将浓度约600ppb的no通入反应器内(模拟空气采用标准no、饱和水蒸汽和高纯度空气进行配气，通过流量计调控no流速为15ml/min，空气流速为2.4l/min，模拟的no浓度约为600ppb，相对湿度为30％～80％)，通过美国热电nox分析仪(thermoscientific42i-tl)测定反应器出口处污染物浓度。待反应器内nox吸附脱附平衡后，打开光源，nox分析仪每隔1min进行采样检测并记录，计算光照后no浓度随时间的变化率η，如下：η＝c/c0×100％。

其中，c0为开灯前反应器内no吸附脱附平衡时的浓度，c为开灯后反应器内no的实时浓度。一般光照30min后光催化反应达到平衡，计算光照30min时no剩余率，考察不同光催化剂对低浓度no可见光催化净化活性。

硅藻土、实施例1所得复合材料、对比例1所得复合材料、对比例2所得复合材料经上述测试后，测试结果参见图7，图7为实施例2的测试效果图。由图7可以看出，经30min光催化测试后，对比例1的tio2/石墨烯/硅藻土复合材料对no的去除率稳定在10％左右，对比例2的bi/tio2/硅藻土复合材料对no的去除率稳定在30％左右，而实施例1的硅藻土基复合材料(bi/tio2/石墨烯/硅藻土)对no的去除率稳定在50％左右。可以看出，本发明制得的硅藻土基复合材料能够显著提升no的去除率，表现出优异的光催化性能。

实施例3

1.1样品的制备

取5g硅藻土在磁力搅拌条件下加入含有50ml去离子水的三口烧瓶中，然后逐滴滴加50g硫酸溶液(浓度为40wt％)，然后置于油浴中，在100℃下磁力搅拌反应4h，之后再加入75ml去离子水，继续反应1h，得到酸处理的硅藻土。将所得酸处理的硅藻土经过滤、去离子水洗涤至ph为7后，置于管式炉中，于450℃下煅烧3h，得到白色固体粉末，即为纯净的硅藻土。

在管式炉中，将0.56g纯净硅藻土于氩气和氢气条件下从室温加热至1000℃，加热87分钟后，通入甲烷气体(氩气、氢气和甲烷的体积比为100∶10∶1)，使硅藻土在1000℃下反应1小时，之后停止甲烷、氢气供应，自然降温至300℃再快速降温，得到石墨烯-硅藻土复合物。

取0.08g石墨烯-硅藻土复合物分散在30ml乙二醇溶液中，用硝酸调节ph为3，然后加入3mltif4溶液(浓度为0.04m)和1.5mmol硝酸铋，用磁力搅拌器搅拌10分钟后，进行水热反应，反应温度为180℃，反应时间为24小时。反应后的产物用水和乙醇清洗，再于60℃下干燥，得到硅藻土基复合材料。

所得硅藻土基复合材料中，硅藻土含量为40wt％，纳米tio2含量为30wt％，bi单质含量为25wt％，石墨烯含量为5wt％。

按照实施例2的测试方法对所得硅藻土基复合材料进行光催化活性测试，结果显示，经30min光催化测试后，所得硅藻土基复合材料对no的去除率稳定在50％左右，表现出优异的光催化性能。

实施例4

取5g硅藻土在磁力搅拌条件下加入含有50ml去离子水的三口烧瓶中，然后逐滴滴加50g硫酸溶液(浓度为40wt％)，然后置于油浴中，在100℃下磁力搅拌反应4h，之后再加入75ml去离子水，继续反应1h，得到酸处理的硅藻土。将所得酸处理的硅藻土经过滤、去离子水洗涤至ph为7后，置于管式炉中，于450℃下煅烧3h，得到白色固体粉末，即为纯净的硅藻土。

在管式炉中，将0.84g纯净硅藻土于氩气和氢气条件下从室温加热至1000℃，加热87分钟后，通入甲烷气体(氩气、氢气和甲烷的体积比为100∶10∶1)，使硅藻土在1000℃下反应1小时，之后停止甲烷、氢气供应，自然降温至300℃再快速降温，得到石墨烯-硅藻土复合物。

取0.08g石墨烯-硅藻土复合物分散在30ml乙二醇溶液中，用硝酸调节ph为3，然后加入1mltif4溶液(浓度为0.04m)和0.5mmol硝酸铋，用磁力搅拌器搅拌10分钟后，进行水热反应，反应温度为180℃，反应时间为24小时。反应后的产物用水和乙醇清洗，再于60℃下干燥，得到硅藻土基复合材料。

所得硅藻土基复合材料中，硅藻土含量为60wt％，纳米tio2含量为20wt％，bi单质含量为15wt％，石墨烯含量为5wt％。

按照实施例2的测试方法对所得硅藻土基复合材料进行光催化活性测试，结果显示，经30min光催化测试后，所得硅藻土基复合材料对no的去除率稳定在40％，表现出优异的光催化性能。

由以上实施例可知，本发明提供的硅藻土基复合材料，经30min光催化测试后，对no的去除率稳定在40％以上，表现出优异的光催化性能；其中，由实施例1和实施例3可知，载体与活性组分比例处于优选范围(40～55)∶(46～62)、活性组分比例处于优选范围(24～30)∶(18～25)∶(4～6)内时，能够进一步提升复合材料的光催化剂性能，使no的去除率稳定在50％左右。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。