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与流程

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。

技术实现要素：

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。

本发明还提供了上述方法制备的具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂。

本发明还提供了上述方法制备的具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂在光催化氧化单质汞中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂，可以克服工业级二氧化钛(p25)带来的弊端。其比表面积较大，有利于反应物的吸附，且丰富的花状纳米线有利于光线的反射，提高光吸收效果。本发明制备成本低，制备工艺简单。

附图说明

图1为实施例1得到的具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂的扫描电子显微镜(sem)图；

图2为实施例1得到的具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂与工业级二氧化钛(p25)的光催化氧化单质汞效率图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明中所使用的试剂规格如表1所示。

表1

实施例1

本实施例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，具体步骤如下：

(1)将0.1g钛粉溶于139ml的30％过氧化氢溶液中，加入1.1ml的5mol/l稀硝酸，9.9ml的去离子水，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；其中，钛粉的目数为200～300目；

(2)量取18ml的混合溶液a放入水热反应釜中，加入5ml100mol/l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。

图1为实施例1所得的具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂的扫描电子显微镜(sem)图，可见样品表面丰富的花状纳米线，这有利于入射光线的反射，提高光吸收效果，进而提升光催化效率。

实施例2

本实施例提供了上述具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂在光催化氧化单质汞中的应用，具体步骤如下：

(1)称取50mg的实施例1中所得的花状二氧化钛光催化剂，溶于装有10ml无水乙醇的烧杯中；

(2)将步骤(1)所述的烧杯进行超声震荡操作后，将混合物均匀涂覆在石英玻片上；

(3)将步骤(2)所述的石英玻片，放置于80℃的烘箱中，烘干10min，得到待反应石英玻片；

(4)将步骤(3)所述的待反应石英玻片，放置于非均相光催化反应器中，进行单质汞光催化氧化实验并记录实验数据；

(5)称取50mg的工业级二氧化钛(p25)，并重复上述步骤。

图2为实施例1所得的具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂与工业级二氧化钛(p25)的光催化氧化单质汞效率图，由图可知本发明所制备的具有花状纳米结构的二氧化钛光催化剂，其相比较于工业级二氧化钛(p25)，单质汞氧化效率可提升31.8％。