一种光催化材料及其制备方法与应用与流程

本发明涉及光催化剂技术领域，尤其涉及一种光催化材料及其制备方法与应用。

背景技术：

有机染料废水中常常含有大量的对动植物有害的有毒物质，当它们流入江河大海、甚至渗透到地下水之后将对水环境造成严重的污染。为了有效地去除废水中的这些有机污染物，人们已经采用了众多的解决办法。一些常见的传统方法有吸附法、絮凝法、生物降解法以及反渗透法等。在这些方法中，吸附技术由于操作简单、适用于诸多的吸附剂等优点而引起了人们特别的关注。其中较典型的应用就是利用活性炭的大比表面积和强吸附能力来吸附去除废水中的有机污染物。尽管如此，为了恢复吸附剂的吸附性能以及避免被吸附的污染物产生二次污染，需要将吸附在吸附剂表面的有机污染物进行矿化。而传统的处理如化学法或高温热处理法需要在高温或高压的条件下执行，因此单纯的吸附处理法往往非常耗能、处理成本高。

近年来，人们发现利用光催化技术能将大量的有机污染物催化降解成无害的小分子，甚至能将有机污染物彻底氧化分解成水、二氧化碳。由于光催化反应在光照下进行，因此可以利于太阳辐射为我们源源不断地提供光催化反应所需要的光能。另外，光催化降解反应的产物一般无毒无害。因此，用光催化技术来去除各类有机污染物具有广阔的应用前景。但是，在高色度有机污染体系如染料废水中，由于体系中往往具有较低的光透过率，导致到达催化剂表面的光能非常有限。在这种条件下，光催化剂的光催化活性被显著抑制，导致有机染料的降解效果差。

技术实现要素：

本发明提供了一种光催化材料及其制备方法与应用，解决了现有的光催化剂对有机染料的降解效果差的问题。

其具体技术方案如下：

本发明提供了一种光催化材料，包括：二维钛酸纳米片层和负载在所述二维钛酸纳米片层表面的氧化镍和笼型聚倍半硅氧烷。

本发明中，二维钛酸纳米片和笼型聚倍半硅氧烷poss具有较大的比表面积以及大量的表面羟基等基团，因此对染料有较好的吸附性能，并通过敏化作用增强太阳光的吸收能力；负载的nio纳米颗粒与二维钛酸纳米片形成异质结，有利于生产的光生载流子分离。

优选地，所述光催化材料中，所述二维钛酸纳米片层的质量含量为60％～90％，所述氧化镍的负载量为0.1％～5％，所述笼型聚倍半硅氧烷的负载量为10～35％。

优选地，所述二维钛酸纳米片层的长度为100nm～300nm，宽度30nm～100nm，厚度为4nm～10nm。

优选地，所述笼型聚倍半硅氧烷的粒径为2.0nm～3.5nm。

优选地，所述氧化镍的粒径为0.2nm～1nm，更优选为0.5nm或1nm。

本发明还提供了上述光催化材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将镍源与二氧化钛混合后分散在碱性溶液中，然后进行加热，得到氧化镍负载的二维钛酸纳米片层；

步骤2：将所述氧化镍负载的二维钛酸纳米片层和笼型聚倍半硅氧烷分散在有机溶剂中在催化剂的条件下进行催化反应，得到光催化材料。

本发明步骤1中，所述镍源为镍盐，优选为硝酸镍。

所述碱性溶液优选为氢氧化钠溶液。

所述镍源、二氧化钛和碱性溶液中的碱性试剂的质量比为0.05:0.8:20。

所述加热的130℃，时间为2h～3h。

所述加热后，得到所述氧化镍负载的二维钛酸纳米片层前，还包括：将加热得到的产物冷却至室温，然后依次进行水洗和酸处理直至产物至中性，再离心收集产物后进行干燥。

本发明步骤2中，所述氧化镍负载的二维钛酸纳米片层和笼型聚倍半硅氧烷的质量比为9:1。

所述有机溶剂优选为甲苯。

所述催化剂包括二环己基碳二亚胺。

所述催化反应的温度为室温，时间为20h～25h。

所述催化反应后，得到光催化材料之前，还包括：将催化反应得到的产物冷却至室温后，离心收集产物后进行干燥。

本发明还提供了上述光催化材料在处理有机染料废水中的应用。

本发明中，光催化材料首先将有机污染物吸附在表面，达到饱和后，将其从废水中分离，然后在可见光照下将吸附的有机污染物氧化分解成无害的有机小分子或矿化成水和二氧化碳。光催化剂上的有机污染物完全分解后，可经高速离心后再循环使用。

优选地，所述光催化剂与所述废水中的有机染料的质量比为(50～500)：(100～1000)。

本发明中，有机染料在废水中的浓度为100mg/l～1000mg/l，光催化材料在废水中的加入量为50～500mg/l。

优选地，所述有机染料包括：结晶紫、甲基橙、署红y、罗丹明b和亚甲基蓝中的一种或两种以上。

本发明中，室温均为25℃±5℃，优选为25℃。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种光催化材料，包括：二维钛酸纳米片层和负载在所述二维钛酸纳米片层表面的氧化镍和笼型聚倍半硅氧烷。

本发明中，二维钛酸纳米片和笼型聚倍半硅氧烷poss具有较大的比表面积以及大量的表面羟基等基团，因此对染料有较好的吸附性能，使得染料溶液由深变浅接近透明，从而增加了高透过率，进而到达光催化材料表面的光能升高，并通过敏化作用增强太阳光的吸收能力；负载的nio纳米颗粒与二维钛酸纳米片形成异质结，有利于生产的光生载流子分离。该光催化剂先在废水中吸附有机染料至饱合后，再将利用光对光催化剂上的有机染料进行分解，使得光催化剂单次降解的有机染料变多。由实验数据可知，该光催化剂对有机染料的降解率高。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例1提供的光催化剂的扫描电镜图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例为光催化材料的制备，具体制备步骤如下：

(1)氧化镍负载二维钛酸纳米片层的制备：

称取0.05g硝酸镍和0.8gp25二氧化钛，高速搅拌(300转/分钟)下加入到50ml浓度为10mol/l的氢氧化钠溶液中，搅拌分散30分钟。然后将产生的悬浊液转移到容积为100ml的聚四氟乙烯反应釜中，放置在加热箱中130℃恒温加热3h后，使反应釜自然冷却到室温。随后，先用去离子水将产物洗至ph值接近8，接着用60ml浓度为0.1mol/l的盐酸溶液将产物酸洗两遍，每次酸处理0.5h。最后，再用去离子水将产物洗至水中性。通过高速离心(4000转/分钟)将产物收集后，用70℃干燥12h、研磨待用。

(2)poss/氧化镍共负载二维钛酸纳米片层的制备：

称取4.5g氧化镍负载二维钛酸纳米片层，0.5g笼型聚倍半硅氧烷poss分散到200ml甲苯中，并加入5毫克二环己基碳二亚胺作为催化剂，搅拌下(80转/分钟)加热回流反应24小时，然后冷却到室温后，通过高速离心(4000转/分钟)将产物收集，70℃干燥12h、研磨待用。

上述制备方法中二维钛酸纳米片层的长度为100nm，宽度30nm,厚度为4nm，nio颗粒粒径0.5nm，poss颗粒粒径2.0nm。

该光催化材料的nio颗粒的负载量为2.5wt％，poss颗粒负载量为10wt％。

图1为本实施例制得的光催化材料的扫描电镜图。如图1所示，氧化镍和poss负载在二维钛酸纳米片层上。

将50mg上述光催化材料加入到100ml的100mg/l结晶紫废水中，匀速搅拌30min使光催化材料饱和吸附结晶紫，通过高速离心(4000转/分钟，10分钟)将光催化材料从废水中分离，然后再分散到100ml纯水中，加入0.2ml浓度为30％的双氧水，在300w氙灯下搅拌2h，光催化材料上吸附的结晶紫基本完全分解，再高速离心分离，光催化材料可循环吸附再用。

实施例2

本实施例为光催化材料的制备，具体制备步骤同实施例1。

本实施例中二维钛酸纳米片层的长度为200nm，宽度100nm,厚度为7nm，nio颗粒粒径1nm，poss颗粒粒径2.5nm。

该光催化材料的nio颗粒的负载量为0.1wt％，poss颗粒负载量为20wt％。

将50mg上述光催化材料加入到100ml的500mg/l亚甲基蓝废水中，匀速搅拌30min使光催化材料饱和吸附亚甲基蓝，通过高速离心将光催化材料从废水中分离，然后再分散到100ml纯水中，加入0.2ml浓度为30％的双氧水，在300w氙灯下搅拌2h，光催化材料上吸附的亚甲基蓝完全分解，再高速离心分离，光催化材料可循环吸附再用。

实施例3

本实施例为光催化材料的制备，具体制备步骤同实施例1

本实施例中二维钛酸纳米片层的长度为300nm，宽度70nm,厚度为10nm，nio颗粒粒径1nm，poss颗粒粒径3.5nm。

该光催化材料的nio颗粒的负载量为5wt％，poss颗粒负载量为35wt％。

将50mg上述光催化材料加入到100ml的1000mg/l罗丹明b废水中，匀速搅拌30min使光催化材料饱和吸附罗丹明b，通过高速离心将光催化材料从废水中分离，然后再分散到100ml纯水中，加入0.2ml浓度为30％的双氧水，在300w氙灯下搅拌2h，光催化材料上吸附的亚甲基蓝完全分解，再高速离心分离，光催化材料可循环吸附再用。

对比例1

本对比例为光催化材料的制备，本实施例与实施例1的区别仅在于未负载poss。

将50mg本对比例光催化材料加入到100ml的100mg/l结晶紫废水中，匀速搅拌30min使光催化材料饱和吸附结晶紫，通过高速离心(4000转/分钟，10分钟)将光催化材料从废水中分离，然后再分散到100ml纯水中，加入0.2ml浓度为30％的双氧水，在300w氙灯下搅拌2h，光催化材料上吸附的结晶紫只降解了30％。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。