[发明专利]树枝形二氧化钛包覆硫化镉中空双壳层材料的制备及应用

说明书

技术领域

本发明涉及光催化剂的制备方法，特别涉及一种树枝形二氧化钛包覆硫化镉中空双壳层材料的制备及应用。

背景技术

纳米光催化技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。世界上能作为光催化剂的材料众多，包括二氧化钛(TiO₂)，氧化锌(ZnO)，氧化锡(SnO₂)，二氧化锆(ZrO₂)，硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体。其中，二氧化钛(TiO₂)因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上研究最为深入的纳米光催化材料，但只能吸收紫外光。其与硫化镉(CdS)的联用时，后者导带能级比TiO₂高，两种半导体耦合在一起，光生载流子可在能隙不同的两种半导体之间的输送与分离，降低光生电子-空穴对的复合率，从而使复合材料在可见光下具有污染物降解效果。

硫化镉(CdS)作为一种重金属无机化合物，其化学性质不稳定，会在光催化的同时发生光氧化，同时CdS溶出有害的Cd²⁺具有一定的生物毒性，如不解决这些问题将大大影响它的应用前景。制备核-壳形貌材料，以外部壳层作为保护层，可有效防止“光腐蚀”现象的发生。同时，采用硬模板法获得的中空双壳层材料因其更为独特的组成、排列，增加了纳米粒子比表面积，提高了复合纳米材料的光催化效率。而制备树枝形双壳层材料，能进一步增加光催化剂受光面积，进一步降低光生光生电子-空穴对的复合率，从而使制得材料应用效果显著提高。

在多种降解水中有机污染物的技术中，光催化降解因其成本低廉、反应温和、适于深度处理等优点成为最具有发展前景的处理技术。但是目前，光催化发展的瓶颈即为催化剂效率不足及催化剂性能不稳定等，同时，有些催化剂在使用过程中不能做到完全的绿色无毒，也同样限制了它的发展。因而，现阶段我们需要制得能克服以上弊端的光催化剂。

发明内容

本发明针对现有技术中催化剂效率不足及催化剂性能不稳定等问题，提供一种树枝形二氧化钛包覆硫化镉中空双壳层材料的制备及应用，对多种水中有机污染物，尤其是对罗丹明B模拟印染废水有着优良的处理效果，且降解材料多次重复使用降解能力依然良好，环保且经济。

本发明的技术方案是：

一种树枝形二氧化钛包覆硫化镉中空双壳层材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

步骤1：聚苯乙烯模板（PS）乳液制备，500mL的圆底烧瓶置于70℃水浴中加热，依次加入去离子水200mL、碳酸氢钠(NaHCO₃)0.0412g、对苯乙烯磺酸钠(SSS)0.0412g和苯乙烯(St)19.59g，通入氮气排除空气后再加人过硫酸钾(KPS)0.288g，搅拌速率200r/min，反应15h后，冷却收集反应产物；

步骤2：将步骤1制得的PS与无水乙醇混合，超声10min-20min后取出，加入聚乙烯吡咯烷酮PVP；

步骤3：按照Cd²⁺与S²-摩尔比为1:1～1:1.6将乙酸镉(Cd(Ac)₂·2H₂O)与硫代乙酰胺(TAA)混合后，加入到步骤2所得的混合液中；在超声反应器中在40～60℃，2000～2500MHz下超声2～4h；反应后用洗液反复洗涤至pH7；40～80℃条件下干燥，研磨至粉末，制得硫化镉包覆聚苯乙烯核壳复合材料；

步骤4：树枝形TiO₂包覆CdS中空双壳层纳米材料的制备，步骤3所得的硫化镉包覆聚苯乙烯核壳复合材料，按照每0.2g加入50ml的无水乙醇的比例加入无水乙醇，超声后，滴入钛酸四丁酯(TBOT)；量取一定量去离子水，用分液漏斗缓慢滴加到上述溶液中，室温搅拌；

步骤5：将步骤4所得的混合液倒入水热釜中，加入十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)，将水热釜放入真空干燥箱，180℃持续15h；反应完成后冷却至室温，醇洗数次；在40～80℃真空干燥，得到固体研磨至粉末，在氮气保护下煅烧，最终得到树枝形二氧化钛包覆硫化镉中空双壳层材料。

优选的，所述步骤2中PS乳液与无水乙醇混合按照PS与无水乙醇的体积比为3:50混合，所述的聚乙烯吡咯烷酮PVP的加入量为每1.2mLPS乳液加入0.2g。

优选的，所述步骤3中所述洗液为去离子水和无水乙醇。