一种高性能复合光催化剂分散液的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米光催化和环保技术领域，具体地说，是一种高活性和高分散稳定性的纳米复合光催化剂分散液的制备方法。
【背景技术】
[0002]环境污染是人类面临的巨大挑战。空气污染和水体污染又是环境污染的两个突出问题。纳米1102光催化在治理环境污染物中具有广阔的应用前景。T12的光催化活性主要受制于光生电子与空穴的复合，过渡金属掺杂、与具有高表面积和电子储存传输能力的碳纳米管复合是降低光生载流子复合的有效途径。
[0003]碳纳米管(缩写为CNTs)是一维纳米材料，因其具有稳定的化学性能、电学、光学性能和独特吸附性能，并且能与T12形成异质结构，有利于1102光生电子的导出，降低光生电子-空穴的复合几率，提高T12的光量子效率；CNTs具有的大比表面积和管状结构，有利于污染物的吸附；而且碳纳米管还能作为光敏剂使CNTs/Ti02复合光催化剂具有可见光活性；因此CNTs/Ti02是一种高性能的复合光催化剂。
[0004]纳米光催化剂用于污水处理和空气净化的实际产品的制备过程中，常常需要使用纳米光催化剂的分散液(也称为浆料)，通过浸渍、提拉和喷涂(因此光催化剂分散液也称为光催化喷涂液)等方法涂覆负载在基体材料上制成可直接使用的产品，如光催化净化网、自洁净玻璃等；分散液也可添加在涂料中，制成具有净化空气和自洁净功能的功能涂料；分散液还可直接喷涂在墙体、家具和玻璃表面，净化室内空气。
[0005]目前纳米光催化剂分散液的制备方法主要有以下几种:(I)先制备或购买纳米光催化剂粉末，再分散在水中得到分散液，这种方法虽然简便，但存在的最大问题在于将纳米光催化剂分散成高分散的稳定分散液体系非常困难，所以分散液易沉降分层，影响其应用性能。为了提高分散液的分散稳定性，需要添加分散剂以及使用要求很高的分散设备和技术，大量研宄表明分散剂的加入常常会带来降低光催化活性的不利影响。(2)在制备纳米光催化剂时，通过溶胶凝胶法等方法直接得到光催化剂分散液，这种方法虽然能够得到高分散稳定的分散液，但存在两个难以克服的技术难题，一是由于没有经过高温过程，因此二氧化钛的结晶度不高，而大量研宄表明高结晶度的锐钛矿二氧化钛，由于缺陷少从而具有高光催化活性，如果要制备高结晶度的二氧化钛常常需要复杂的水热过程，并且结晶度满足要求时，分散稳定性又会受到影响。二是很难制备高分散的复合光催化剂分散液。如T12/CNTs纳米复合光催化剂，得益于碳纳米管的电子传输、存储和高比表面积等改性因素，其光催化活性比T12显著提高，一般制备这种复合光催化剂分散液的方法是先将碳纳米管改性，使其表面生成能与二氧化钛前驱物结合的羧基和羟基官能团，然后将二氧化钛或其前躯体与其作用，合成Ti02/CNTs复合光催化剂的水分散液，但分散稳定性较差。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高性能复合光催化剂分散液的制备方法，通过掺杂过渡金属的二氧化钛前驱体的喷雾热解和化学气相沉积法直接在改性打02中的过渡金属元素上原位生长CNTs同步过程，并且用水直接接受一步合成的过渡金属M/Ti02/CNTs气溶胶，得到具有高活性和高分散稳定性的复合光催化剂分散液。
[0007]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种多重改性复合光催化剂，其基体是过渡金属M改性的T12，其中过渡金属既能起到二氧化钛掺杂改性作用，又是化学气相沉积法生长碳纳米管的催化剂，如选自Fe、N1、Co、Cu等一种或两种以上的组合物。过渡金属在复合光催化剂中的重量百分含量为0.02-1%。
[0008]在掺杂过渡金属M的二氧化钛前驱体的溶液或溶胶的制备过程中，过渡金属选用水溶性硝酸盐、有机盐(如醋酸盐、草酸盐、柠檬酸盐等)和或金属有机化合物；含钛原料选用钛酸酯类含钛有机化合物和打(:14等易水解物质。通过控制含钛物质的水解得到掺杂过渡金属的二氧化钛的前驱体溶液和溶胶。前驱体中钛(折算成二氧化钛)的重量百分含量为0.5-60%，更优的含量为2-25%。
[0009]在二氧化钛前驱体喷雾热解生成掺杂过渡金属M的T12和化学气相沉积原位生长碳纳米管一步法合成M/Ti02/CNTs复合光催化剂气溶胶的过程中，反应器的温度为200-700 °C，更优的温度为300~600 V ;掺杂过渡金属的二氧化钛前驱体的溶液或溶胶通过喷雾方法进入反应器；碳纳米管生长的碳源可以选用乙炔等常用的气相法合成碳纳米管的含碳气体原料；二氧化钛前驱体溶胶与碳源气体都可以采用一定比例的惰性气体如氮气稀释和夹带，并且可以通过控制反应器的温度分布和两路原料的进样位置等操作因素和反应器结构，如并行喷嘴进样和两种原料先后进入反应器，二氧化钛前驱体溶胶先进，热解生成掺杂过渡金属M的T12，然后与后进的碳源气流混合，原位生长碳纳米管，制备不同碳纳米管含量的M/Ti02/CNTs复合光催化剂气溶胶。
[0010]M/Ti02/CNTs复合光催化剂气溶胶的水接受直接得到分散液。复合光催化剂气溶胶气流经过冷却后，可以采用直接将复合光催化剂气溶胶气流通入水中吸收，也可以采用将水喷淋到复合光催化剂气溶胶气流中，根据分散液的固含量要求选择合适的水用量和接受时间，在喷淋接受时可以采用将分散液循环喷淋的方式来控制最终分散液的固含量。
[0011]与现有技术相比，本发明的积极效果是:
本发明提供直接用水接受复合光催化剂M/Ti02/CNTs气溶胶得到复合光催化剂分散液的方法，由于气溶胶中的复合光催化剂粒径小，团聚少，因而能得到高分散的稳定分散液。传统的先制备复合光催化剂粉体再分散得到分散液的方法，如果不加分散剂，很难制得高分散稳定性的分散液；但添加分散剂时，又会降低分散液的光催化剂活性。在Ti02/CNTs复合光催化剂分散液的传统制备方法中，需要对碳纳米管进行强酸强氧化改性处理，既会破坏碳纳米管的结构，影响其电子传导的性能，使其光催化性能下降，另外还会带来严重的环境污染，并且得到的分散液分散稳定性也不佳。
[0012]本发明采用将过渡金属掺杂T12的热解合成与原位碳纳米管生长同步完成的一步法，碳纳米管直接在二氧化钛掺杂过渡金属上生长，得到的CNTs/Ti