一种光催化海绵材料及其制备方法和应用

1.本发明涉及一种光催化海绵材料及其制备方法和应用，属于环境功能材料制备和水污染控制技术领域。


背景技术：

2.随着全球人口和工业经济的快速增长，能源短缺和水环境污染危机日渐备受关注，亟待开发一种绿色节能的技术以进行有效的水体污染治理及修复。基于光催化材料的水体污染治理及修复技术能够将太阳能转化为化学能，符合能源与环境可持续发展的要求，引起了广泛的研究兴趣。
3.光催化材料可以吸收大于其带隙能量的光能以产生电子-空穴对，同时电子-空穴对可迁移到光催化材料表面以引发并参与氧化还原反应。传统的光催化材料需要连续的光照条件(例如白天)来驱动反应，而在光照条件受限时(例如夜间)极大地限制其广泛应用。这是因为一旦光照停止，光催化材料中光生电子-空穴对的产生和分离将停止，导致其催化活性立即丧失。因此，以光催化记忆材料为典型代表的光催化领域范式转变对自然昼夜循环下的可持续水体污染治理及修复十分必要。
4.通常情况下，新兴的光催化记忆材料能够在白天同时进行水中污染物的催化去除和光生电子的储存，并在夜间自动释放储存的光生电子以持续催化水中污染物的去除。光催化记忆材料通常由光催化材料基体和储能材料组成，其中储能材料可在光照条件下储存来自光催化材料的过量光生电子，并在无光条件下释放储存的光生电子。到目前为止，光催化记忆材料领域仍处于起步阶段。与传统光催化材料相比，光催化记忆材料的数量和类型都非常有限，并且光催化记忆材料由于电子储存/释放能力有限，在黑暗中的污染物去除性能通常远低于光照下的污染物去除性能，这将限制光催化记忆材料在污染水体的可持续高效治理及修复中的应用。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是，提供一种光催化海绵材料及其制备方法和应用，具备优异电子储存/释放能力，能够大大强化其全天候的光催化活性，有利于其在污染水体的可持续高效治理及修复中的应用。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种光催化海绵材料制备方法，包括以下步骤：
8.将正丁醇和正丁醇钛进行混合，酸化后均匀搅拌，得到混合液a；
9.将去离子水和六氯化钨进行混合后均匀搅拌，得到混合液b，然后将混合液b逐滴缓慢加入至混合液a，得到混合液c；
10.将三聚氰胺海绵利用乙醇超声清洁干净，烘干后加热浸渍在混合液c中，然后取出负载好前驱体的三聚氰胺海绵进行真空干燥；
11.将真空干燥后的负载好前驱体的三聚氰胺海绵进行限氧热处理。
12.正丁醇和正丁醇钛的体积比2:1～1:2，去离子水和六氯化钨的质量比为10:1～5:1。
13.正丁醇和正丁醇钛均匀搅拌时间为0.5～2小时，去离子水和六氯化钨均匀搅拌时间为0.5～2小时。
14.三聚氰胺海绵的尺寸长宽比为1:1:1～5:5:1。
15.乙醇超声清洁时间为0.5～2小时，烘干温度为60～90℃，时间为12～36小时。
16.加热浸渍温度为80～100℃，时间为1～2小时。
17.加热浸渍-真空干燥步骤循环重复2～3次，
18.限氧热处理温度为350～550℃。
19.一种光催化海绵材料，由上述光催化海绵材料制备方法制备得到，所述光催化海绵材料包括二氧化钛纳米颗粒、氧化钨纳米颗粒和三聚氰胺基多孔碳海绵，所述二氧化钛纳米颗粒作为光催化材料基体，所述氧化钨纳米颗粒作为电子存储介质，所述三聚氰胺基多孔碳海绵作为电子传递介质和三维载体。
20.一种光催化海绵材料在处理污染水体中的应用，在白天太阳光照射条件下产生光催化活性，并同步存储部分光生电子，在随后黑夜无光照条件下释放存储的电子，持续产生光催化活性。
21.本发明的有益效果：制备得到的光催化海绵材料中，二氧化钛在白天太阳光照射条件下产生光催化活性，氧化钨纳米颗粒同步存储部分光生电子，在随后黑夜无光照条件下释放存储的电子，持续产生催化活性，进而能够实现全天候可持续处理污染水体；利用多孔碳海绵材料的高吸附容量、均匀分散颗粒作用、电子效应，提供了更多的反应活性位点，增大了太阳光利用效率，扩充了电子存储空间，并促进了电子传导速率，进而有助于白天阳光照射下电子的存储和夜间无光照射时电子的释放，最终大大强化了其全天候的光催化活性，特别是黑暗条件下延续的催化活性，能够提高污染水体的处理效率；具有原料易得、制备简单、全天候高反应活性、可持续性、排布便捷和回收方便等特点，可广泛用于污染水体的高效可持续处理。
附图说明
22.图1为本发明中光催化海绵材料的应用示意图；
23.图2为本发明中光催化海绵材料的扫描电子显微镜图像；
24.图3为本发明中光催化海绵材料在昼夜循环条件下对污染水体cod的去除效果图。
25.图中附图标记如下：1-二氧化钛和氧化钨纳米晶粒；2-三聚氰胺海绵框架；3-三聚氰胺基多孔碳海绵材料。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
27.具体实施例1
28.本发明公开一种全天候可持续处理污染水体的光催化海绵材料制备方法，具体步骤如下：将10ml正丁醇和10ml正丁醇钛进行混合，利用盐酸酸化后均匀搅拌30分钟，得到混
合液a。将50ml去离子水和5g六氯化钨进行混合，均匀搅拌30分钟，得到混合液b。随后将混合液b逐滴缓慢加入至混合液a，得到混合液c。将三聚氰胺海绵剪切成50mm
×
50mm
×
20mm，利用乙醇超声清洁30分钟后，于60℃烘干24小时，随后浸没在混合液c中，于90℃浸渍1.5小时，取出负载好前驱体的三聚氰胺海绵进行60℃真空干燥24小时，加热浸渍-真空干燥步骤循环重复3次。将负载前驱体的三聚氰胺海绵于550℃进行限氧热处理。如图1所示，本发明的光催化海绵材料制备方法，能够同步实现二氧化钛和氧化钨纳米晶粒1的生长和三聚氰胺海绵框架2的碳化，制备得到均匀负载了二氧化钛/氧化钨纳米颗粒的三聚氰胺基多孔碳海绵材料3，将其应用于处理污染水体。如图2所示，本发明制备新型光催化海绵材料在微观结构上呈三维多孔网状框架结构(见图2a)，并且二氧化钛/氧化钨纳米颗粒较为均匀地分散在碳化了的三聚氰胺海绵框架上(见图2b)。
29.为了验证本本发明制备得到的光催化海绵材料的光催化性能，将其应用于对污染水体cod的全天候可持续降解，具体步骤如下：将优级纯邻苯二甲酸氢钾放入烘干箱于105℃烘干2小时至恒重，随后放入干燥器冷却40分钟。随后称取0.8502g邻苯二甲酸氢钾至1000ml蒸馏水中，得到1000mg/l的cod标准溶液。将50mm
×
50mm
×
20mm的三聚氰胺海绵投放至装有50ml cod标准溶液的培养皿中，在模拟昼夜循环条件下(12小时太阳光照射+12小时黑暗)进行处理，每隔12小时取水样测定cod数值变化。如图3所示，结果表明该光催化海绵材料在昼夜循环条件下可持续处理模拟污水(1000mg/l cod)，并于2天内完成处理，且循环处理3次期间，该光催化海绵材料对污染水样的处理效率无明显下降。
30.具体实施例2
31.本发明公开一种全天候可持续处理污染水体的光催化海绵材料制备方法，具体步骤如下：将10ml正丁醇和5ml正丁醇钛进行混合，利用盐酸酸化后均匀搅拌60分钟，得到混合液a。将40ml去离子水和5g六氯化钨进行混合，均匀搅拌60分钟，得到混合液b。随后将混合液b逐滴缓慢加入至混合液a，得到混合液c。将三聚氰胺海绵剪切成20mm
×
20mm
×
20mm，利用乙醇超声清洁60分钟后，于75℃烘干36小时，随后浸没在混合液c中，于80℃浸渍2小时，取出负载好前驱体的三聚氰胺海绵进行60℃真空干燥24小时，加热浸渍-真空干燥步骤循环重复2次。将负载前驱体的三聚氰胺海绵于350℃进行限氧热处理。如图1所示，本发明的光催化海绵材料制备方法，能够同步实现二氧化钛和氧化钨纳米晶粒1的生长和三聚氰胺海绵框架2的碳化，制备得到均匀负载了二氧化钛/氧化钨纳米颗粒的三聚氰胺基多孔碳海绵材料3，将其应用于处理污染水体。
32.具体实施例3
33.本发明公开一种全天候可持续处理污染水体的光催化海绵材料制备方法，具体步骤如下：将5ml正丁醇和10ml正丁醇钛进行混合，利用盐酸酸化后均匀搅拌120分钟，得到混合液a。将25ml去离子水和5g六氯化钨进行混合，均匀搅拌120分钟，得到混合液b。随后将混合液b逐滴缓慢加入至混合液a，得到混合液c。将三聚氰胺海绵剪切成100mm
×
100mm
×
20mm，利用乙醇超声清洁120分钟后，于100℃烘干1小时，随后浸没在混合液c中，于90℃浸渍1.5小时，取出负载好前驱体的三聚氰胺海绵进行60℃真空干燥24小时，加热浸渍-真空干燥步骤循环重复3次。将负载前驱体的三聚氰胺海绵于450℃进行限氧热处理。如图1所示，本发明的光催化海绵材料制备方法，能够同步实现二氧化钛和氧化钨纳米晶粒1的生长和三聚氰胺海绵框架2的碳化，制备得到均匀负载了二氧化钛/氧化钨纳米颗粒的三聚氰胺
基多孔碳海绵材料3，将其应用于处理污染水体。
34.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。