一种高光催化活性纳米二氧化钛的制备及应用

本发明涉及光催化，具体为一种高光催化活性纳米二氧化钛的制备及应用。

背景技术：

1、纳米材料是当前研究的一个重要领域，各种制备方法的研究也成为研究的热点。作为半导体材料，纳米二氧化钛以其光催化活性、化学性质稳定、无毒等优点被广泛应用于光催化、太阳能电池、气敏元件等领域。大量的研究表明纳米二氧化钛光催化不仅能够降解水和空气中的烷烃、稀烃、脂肪醇、酚类、羧酸、各种简单芳香族化合物及相应的卤化物、染料、表面活性剂、除草剂、杀虫剂等有机物，而且可以将水中的无机金属离子如铂、金、铑、铬等沉积出来，还可以将氰化物、亚硝酸盐等转化为无毒形式。除了在净化水和空气方面的应用外，纳米二氧化钛在杀菌消毒、光解水、固氮、还原二氧化碳等方面的研究也取得了一定进展。

2、但纳米二氧化钛作为光催化剂也存在着一些不可忽视的缺点。首先，纳米二氧化钛的禁带较宽，这意味着其对可见光响应程度低；其次，激发后的电子-空穴易再次结合，此问题难以解决。这些问题大大限制了纳米二氧化钛光催化效率的进一步提升。因此，发明一种具有高光催化活性的纳米二氧化钛十分必要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高光催化活性纳米二氧化钛的制备及应用，以解决现有技术中存在的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种高光催化活性纳米二氧化钛的制备，其特征在于，所述高光催化活性纳米二氧化钛的制备是以钛酸四丁酯为钛源，改性碳纳米球为掺杂改性剂，聚乙二醇、十六烷基三甲基溴化铵为混合模版，添加抑制剂，结合溶胶-凝胶法与溶剂热法制得碳纳米球掺杂纳米二氧化钛；将碳纳米球掺杂纳米二氧化钛用硝酸铋水溶液处理制得。

4、作为优化，所述改性碳纳米球是将葡萄糖通过水热反应制得碳纳米球，将碳纳米球依次与3-氨基丙基三乙氧基硅烷、2-醛基噻唑反应制得。

5、作为优化，所述高光催化活性纳米二氧化钛的制备包括以下制备步骤：

6、(1)将葡萄糖与去离子水按质量比为1:(10～12)混合均匀，置于水热反应釜中，在180～200℃水热反应7～9h，冷却至室温，离心分离，将沉淀用无水乙醇和去离子水各洗涤3～5次，在3～5pa，70～80℃干燥7～9h，制得碳纳米球；将碳纳米球浸没在硅烷水解液中，超声处理1～2h，过滤，在50～60℃干燥7～8h，制得预改性碳纳米球；将预改性碳纳米球、2-醛基噻唑、乙腈按质量比为1:(1.2～1.4):(8～10)混合均匀，在70～72℃，300～500r/min搅拌反应2～3h，过滤，用去离子水洗涤3～5次，在5～7pa，50～60℃干燥4～6h，制得改性碳纳米球；

7、(2)将钛酸四丁酯、抑制剂、无水乙醇按质量比为1:(2～3):(4～6)混合均匀，配制成钛源反应液；将钛酸四丁酯质量0.6～0.8倍的聚乙二醇、阳离子表面活性剂、乙醇水溶液按质量比为1:(3～4):(18～20)混合均匀，再加入钛酸四丁酯质量0.2～0.4倍的改性碳纳米球，混合均匀，配制成碳源反应液；在10～30℃，300～500r/min搅拌条件下，将钛源反应液在5min内匀速滴加到碳源反应液中，继续搅拌8～10h，置于反应釜中，分别在110～130℃、140～160℃、170～190℃保温2～3h，冷却至室温，用无水乙醇和去离子水各洗涤3～5次，在3～5pa，50～60℃干燥5～6h，研磨成粒径为8～10nm的粉末，制得碳纳米球掺杂纳米二氧化钛；

8、(3)将硝酸铋与质量分数为1～2％的硝酸水溶液按质量比为1:(20～30)混合均匀，配制成硝酸铋水溶液；向硝酸铋水溶液中加入硝酸铋质量3～4倍的碳纳米球掺杂纳米二氧化钛，在70～80℃，300～500r/min搅拌3～4h，在3～5pa，50～60℃干燥5～6h，置于马弗炉中，在350～370℃焙烧3～4h，制得高光催化活性纳米二氧化钛。

9、作为优化，步骤(1)所述硅烷水解液是将3-氨基丙基三乙氧基硅烷、无水乙醇、去离子水按质量比为1:(2.2～2.5):(8～10)混合均匀，用质量分数为10～12％的盐酸水溶液调节ph至4.8～5.0制得。

10、作为优化，步骤(2)所述抑制剂为冰醋酸。

11、作为优化，步骤(2)所述聚乙二醇的型号为peg4000。

12、作为优化，步骤(2)所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。

13、作为优化，步骤(2)所述乙醇水溶液的质量分数为30～40％。

14、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

15、本发明在制备高光催化活性纳米二氧化钛时，将葡萄糖通过水热反应制得碳纳米球；将碳纳米球依次与3-氨基丙基三乙氧基硅烷、2-醛基噻唑反应制得改性碳纳米球；以钛酸四丁酯为钛源，冰醋酸为抑制剂，聚乙二醇、十六烷基三甲基溴化铵为混合模版，改性碳纳米球为掺杂改性剂，结合溶胶-凝胶法与溶剂热法制得碳纳米球掺杂纳米二氧化钛；将碳纳米球掺杂纳米二氧化钛用硝酸铋水溶液处理制得高光催化活性纳米二氧化钛。

16、首先，将葡萄糖通过水热反应制得碳纳米球；将碳纳米球依次与3-氨基丙基三乙氧基硅烷、2-醛基噻唑反应制得改性碳纳米球；碳材料对可见光有很强的响应能力，弥补了二氧化钛材料禁带宽度较宽，对可见光响应程度弱的特点，当可见光照射到复合材料上时，碳纳米球中的电子从碳材料中转移到二氧化钛导带上，为光催化过程提供了更多参与反应的物质，进而提高高光催化活性纳米二氧化钛的光催化活性；碳纳米球表面富含大量羟基，将碳纳米球与3-氨基丙基三乙氧基硅烷反应，在碳纳米球表面引入氨基，再与2-醛基噻唑反应，在碳纳米球表面生成噻唑席夫碱结构，在用硝酸铋水溶液处理碳纳米球掺杂纳米二氧化钛时，噻唑席夫碱结构可以与金属铋形成金属配位键，将铋修饰在高光催化活性纳米二氧化钛的表面和孔隙中，铋能够抑制锐钛矿相晶粒的聚集，抑制相变，从而提高高光催化活性纳米二氧化钛的热稳定性和结晶度，形成三氧化二铋-二氧化钛复合纳米粒子，提高光生载流子的分离效率，进而提高了高光催化活性纳米二氧化钛在可见光区的响应，有效地抑制电子与空穴的复合，提高电子转移给氧气的速度，加快光催化氧化降解的速率，进一步提高高光催化活性纳米二氧化钛的光催化活性。

17、其次，以钛酸四丁酯为钛源，冰醋酸为抑制剂，聚乙二醇、十六烷基三甲基溴化铵为混合模版，改性碳纳米球为掺杂改性剂，结合溶胶-凝胶法与溶剂热法制得碳纳米球掺杂纳米二氧化钛；将碳纳米球掺杂纳米二氧化钛用硝酸铋水溶液处理制得高光催化活性纳米二氧化钛；冰醋酸在反应过程中与钛形成螯合物，抑制了钛酸四丁酯的水解和缩聚，使得二氧化钛的结晶过程更容易控制；以聚乙二醇和阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵作为混合模版，颗粒被表面活性剂分子包围，颗粒间凝聚或生长的环境被破坏，使形成的纳米二氧化钛粒子颗粒更小；聚乙二醇也能与钛结合，阻碍晶粒的进一步生长，降低高光催化活性纳米二氧化钛的粒径，聚乙二醇在高温焙烧后会分解产生气体，形成多孔结构，增大高光催化活性纳米二氧化钛的比表面积，进一步提高高光催化活性纳米二氧化钛的光催化活性。