[发明专利]核/壳结构的聚苯乙烯/二氧化钛复合光催化剂的制备

说明书

技术领域

本发明属复合光催化剂的制备领域，特别是涉及核/壳结构的聚苯乙烯/二氧化钛复合光催化剂的制备。

背景技术

纳米二氧化钛是一种常见的光催化剂，因其化学稳定性好，氧化活性高，对人体无毒害，成本低，应用范围广而受到人们的广泛关注。但由于纳米晶易团聚，往往使纳米二氧化钛团聚成较大的颗粒，由于表面二氧化钛对光的吸收与散射，颗粒内部的光照并不充分，因此，较大颗粒的二氧化钛的捕光效率较低。大颗粒在重力作用下容易沉降，在液相中悬浮性不好，也限制了二氧化钛光催化剂的实际应用。近年来，核/壳材料的制备已经成为人们致力研究的一个热点。制备二氧化钛核壳材料的方法主要有湿化学法和层层组装(Layer-by-Layer，LbL)等。湿化学方法在制备核壳材料时往往对前躯体和溶剂有特殊的要求，因此在应用范围上有一定的局限性。虽然LbL方法可以制备得到厚度可控，包覆均匀的核/壳材料，但该制备过程中所使用的胶体和载体浓度都非常低，若要制备一定厚度的壳层材料则需要不断的重复工艺。此外，在包覆过程中为改变表面电荷所使用的大量有机电解质往往影响材料的性能。以上方法制备得到的壳层TiO₂往往都是无定形的，需要通过煅烧来改变其结晶性能。用水蒸汽来促使溶解在乙醇中的钛酸丁酯水解，可制备核/壳结构氧化锌/二氧化钛光催化剂(张青红，高濂，范武刚，中国发明申请号200710039531.1)，其中的二氧化钛无需经过煅烧即为锐钛矿相，但没有涉及到用聚合物作为载体来制备核/壳结构。聚苯乙烯微球粒度可控，单分散的微球已很容易被制得(Goodwin，J.W.，Ottewill，R.H.，Pelton，R.Colloid.Polym.Sci.1979，vol 257，61-69)，广泛用作模板材料获得有序的微结构。本发明提出了一种制备核/壳结构的聚苯乙烯/二氧化钛复合光催化剂的制备方法，利用的聚苯乙烯为载体，通过水蒸气来促进钛醇盐水解，在聚苯乙烯的表面形成锐钛矿相二氧化钛层。这种复合光催化剂具有核壳结构，核为聚苯乙烯，壳层为结晶二氧化钛，用作光催化剂可改善二氧化钛的悬浮性和捕光效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供核/壳结构的聚苯乙烯/二氧化钛复合光催化剂的制备，本发明制得的复合光催化剂保留了二氧化钛纳米晶粒高催化活性的特点，在多数光催化反应中有着与气相法制备的纳米二氧化钛类似的光催化活性。

本发明的核/壳结构的聚苯乙烯/二氧化钛复合光催化剂的制备，包括：

(1)将钛醇盐溶解在无水低级醇中制成钛醇盐的无水醇溶液，钛醇盐可以是钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯和钛酸四丁酯中的一种或它们的混合物，低级醇可以是甲醇、乙醇、正丙醇和异丙醇中的一种或它们的混合物；

(2)将采用Goodwin方法制备，表面带-NH₂的阳离子聚苯乙烯微球加入步骤(1)钛醇盐的无水醇溶液中，经过超声和搅拌，得到均匀的混合物；

(3)将盛有聚苯乙烯微球和钛醇盐的无水醇溶液的坩埚放入可密闭的容器中，然后置于可密闭容器的上部，将容器密闭，密闭前，容器的底部有少量水，水与钛的醇溶液不直接接触；将密闭容器加热至70℃到200℃，并经过保温1到96小时使二氧化钛有很好的结晶度；待保温结束，温度降低到室温后，打开密闭容器，取出上层的坩埚，倒出粉体，再经过洗涤与干燥，得到核/壳结构的聚苯乙烯/二氧化钛复合光催化剂，经过煅烧或溶解可得到中空二氧化钛微球光催化剂。

现对反应的有关工艺参数作一些具体限定：

1、水的用量：水在密闭容器的底部，并不与钛醇盐直接接触，加热时水开始蒸发，并最终使钛醇盐全部水解。在实际的反应中，水与钛的物质的量之比在10到4000之间。

2、聚苯乙烯的浓度：聚苯乙烯在醇溶液中的浓度在0.5mg/mL～60.0mg/mL之间。

3、钛醇盐的浓度：钛醇盐在低级醇中的浓度在0.004mL/mL～0.100mL/mL的范围内，通过改变钛醇盐的浓度可改变二氧化钛包覆层的厚度。