一种二氧化钛/碳复合光催化剂及其制备方法和应用

本发明属于催化剂制备，具体涉及一种二氧化钛/碳复合光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、由于传统环境治理技术在效率和环保方面的局限性，发展废水处理新技术用于自然水资源的保护已经是21世纪关键的环境问题。光催化技术因其反应条件温和、能耗低和无二次污染等优点受到了广泛的关注，其中使用半导体材料去除有机或无机污染物是光催化技术主要的研究课题之一。二氧化钛(tio2)因其氧化能力强、化学性质稳定和无毒等特点，常被用作环境污染治理的光催化剂，但是tio2光催化剂由传统方法合成时存在电荷载流子复合快、比表面积小和带隙大等缺陷，限制了其实际应用，因此，寻找修饰tio2的方法，提高其吸附能力和使其光催化反应扩展到可见光区域，一直是人们关注的焦点。

2、碳基材料通过诱导tio2和碳相之间的协同效应或合作效应，对tio2的光催化活性有一定的有益影响，但制备碳基材料的碳源主要来自于不可再生的化石资源，这在一定程度上限制了碳基材料的可持续发展，并造成了严重能源短缺和环境污染问题，由光合作用产生的生物质是自然界中最丰富的可再生碳源，是理想的碳源替代品。随着纳米技术和乳液技术的发展，pickering乳液在很大程度上扩大了其应用范围。pickering乳液液滴可以作为不同反应的容器和构造结构的模板，合成的材料具有多孔结构和刺激响应性。果胶是一种可再生的环境友好的碳前驱体，具有大量的富电子官能团，不仅可以提供孤对电子，与多价金属离子以配位键结合形成配位化合物，亦可用于形成稳定的pickering乳液。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种二氧化钛/碳复合光催化剂及其制备方法和应用，以解决催化剂降解率低、稳定性差的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种二氧化钛/碳复合光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

3、s1：将钛源以1-3：4-16的体积比溶于有机溶剂中，得到溶液a，随后加入ph值为1的果胶溶液，将混合液在室温下均质2-5min，然后静置12-36h得到凝胶；

4、s2：将凝胶在-18～-15℃下冷冻7-8h，随后在-50～-45℃下干燥18-24h，得到前驱体；

5、s3：在氮气气氛下，将前驱体置于400-700℃下煅烧2-2.5h，得到二氧化钛/碳复合光催化剂。

6、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

7、进一步，钛源为钛酸四丁酯。

8、进一步，有机溶剂为主溶剂和副溶剂按1-4：1-3的体积比混合而成，主溶剂为液体石蜡，副溶剂为氯仿、二氯甲烷、丙酮、乙酸乙酯、正己烷或二甲苯。

9、进一步，果胶溶液中果胶的分子量为2000-400000da，浓度为0.5-5wt％。

10、进一步，步骤s1中用于调节果胶溶液ph值的酸为盐酸、硝酸、磷酸、硫酸、乙酸、柠檬酸、马来酸、苯甲酸、苯磺酸、羟基苯磺酸、甲基苯磺酸或乙基苯磺酸。

11、进一步，溶液a和果胶溶液的体积比为11-23：2-6。

12、进一步，均质的转速为8000-13000rpm。

13、进一步，氮气的流速为150-200ml/min，煅烧时的升温速率为3-8℃/min。

14、本发明还公开了一种二氧化钛/碳复合光催化剂的制备方法制得的二氧化钛/碳复合光催化剂。

15、本发明还公开了一种二氧化钛/碳复合光催化剂在处理染料废水中的应用。

16、本发明具有以下有益效果：本发明结合pickering乳液法和溶胶-凝胶法，不仅缩短了二氧化钛/碳复合光催化剂的合成时间，还解决了单一tio2组分中光生载流子分离的问题，显著提高了二氧化钛/碳复合光催化剂的光催化活性，在光催化领域具有广阔的应用前景。另外，本发明以果胶为原材料，原料廉价易得，其碳化后的得到的复合材料为多孔结构，具有比表面积大、化学性能稳定、吸附性强等优点，可有效提高对污染物的吸附及光催化降解效率。

技术特征：

1.一种二氧化钛/碳复合光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的二氧化钛/碳复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述钛源为钛酸四丁酯。

3.根据权利要求1所述的二氧化钛/碳复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为主溶剂和副溶剂按1-4：1-3的体积比混合而成，所述主溶剂为液体石蜡，所述副溶剂为氯仿、二氯甲烷、丙酮、乙酸乙酯、正己烷或二甲苯。

4.根据权利要求1所述的二氧化钛/碳复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述果胶溶液中果胶的分子量为2000-400000da，浓度为0.5-5wt％。

5.根据权利要求1所述的二氧化钛/碳复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中用于调节果胶溶液ph值的酸为盐酸、硝酸、磷酸、硫酸、乙酸、柠檬酸、马来酸、苯甲酸、苯磺酸、羟基苯磺酸、甲基苯磺酸或乙基苯磺酸。

6.根据权利要求1所述的二氧化钛/碳复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述溶液a和果胶溶液的体积比为11-23：2-6。

7.根据权利要求1所述的二氧化钛/碳复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述均质的转速为8000-13000rpm。

8.根据权利要求1所述的二氧化钛/碳复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述氮气的流速为150-200ml/min，煅烧时的升温速率为3-8℃/min。

9.权利要求1-8任一项所述的二氧化钛/碳复合光催化剂的制备方法制得的二氧化钛/碳复合光催化剂。

10.权利要求9所述的二氧化钛/碳复合光催化剂在处理染料废水中的应用。

技术总结
本发明提供一种二氧化钛/碳复合光催化剂及其制备方法和应用，目前，以可再生的生物质为原料，由钛酸四丁酯水解出的Ti<supgt;4+</supgt;与果胶进行配位交联反应，以Ti<supgt;4+</supgt;为中心金属离子、果胶为配体制得凝胶，再通过冷冻干燥技术得到具有多孔网络结构的二氧化钛/碳复合光催化剂前驱体，最后在氮气氛围下进行碳化，得到比表面积大和光催效率高的二氧化钛/碳复合光催化剂，有效解决了废水处理存在的工艺复杂、能耗高、回收难和效率低的问题，为生物质多糖作为碳源提供新思路。

技术研发人员：李德强,熊紫微,李君,杨再磊,姜慧,唐阳欣,胡世杰
受保护的技术使用者：新疆农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15