[发明专利]一种二氧化钛负载型复合碳气凝胶及其制备与应用

说明书

本发明公开了一种二氧化钛负载型复合碳气凝胶及其制备与应用。首先通过水热反应将二氧化钛负载在纤维素等基体上，将所得产物进行冷冻干燥，最后采用高温碳化制得二氧化钛负载型复合碳气凝胶。本发明制备的二氧化钛负载型复合碳气凝具有良好的光催化降解能力，可应用于光催化降解亚甲基蓝等有机污染物，在水处理领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种二氧化钛负载型复合碳气凝胶及其制备与应用。

背景技术

随着造纸，皮革，纺织，印染等行业的发展，越来越多含有有机染料的废水排放到河流湖泊中，给生态环境和人们的用水安全造成许多不利影响。许多方法和技术已经用来处理含有有机染料的废水，比如：声化学降解法，胶束增强超滤法，离子交换膜法，电化学降解法，吸附/沉淀法，化学-生物降解法，芬顿-生物降解法等等。作为一种新型水处理方法，光降解法可以将有机污染物完全降解成小分子而不需后续的分离或者浓缩过程，为人们处理含有有机染料的废水提供了一种新的技术路线，因而越来越受到人们的重视。由于较好的光催化性能和稳定性，低廉的成本和无毒性，二氧化钛是最有潜力的一种光催化材料。然而，二氧化钛较大的带隙宽度使得其只能在能量较高的紫外光下才能表现出光催化活性，这无疑大大限制了其应用范围。掺杂是一种可以有效降低二氧化钛带隙宽度，实现可见光下的催化降解污染物的方法。金属（例如Fe, Co, Ni, Mn, V）可有效提高材料的可见光波长范围内的光催化能力。然而金属掺杂后材料的热稳定性变差并且由于掺杂剂的引入形成了复合中心，从而限制了其进一步应用。事实上，非金属（N, C, S, I）掺杂是一种有效的掺杂方式，可以大大提高材料在可见光下的光催化能力。其中尤以碳掺杂的效果最为显著。此外，作为一种良好的电子受体，碳材料可以有效转移光生电子，减少光生电子-空穴对的复合，进一步提高材料的光催化能力。因而碳材料与二氧化钛的复合受到了广泛的关注。然而，目前大多数碳材料基体以及作为活性位点的二氧化钛均存在不同程度的团聚现象，并由此导致了大量的缺陷和边界的产生。而这些边界和缺陷极易诱导光生电子和空穴发生复合，从而降低了材料光催化性能。

碳气凝胶由于拥有多孔，比表面积大等一系列的优势，是一种在催化剂材料领域具有极大潜力的新型碳材料。特别是碳气凝胶内部大量相互连接的三维孔洞结构不仅可有效避免基体和二氧化钛的团聚，进而提高光催化降解性能，而且还可以促进作为活性位点的二氧化钛在碳基体上的分散，增加活性位点数目，改善催化剂活性中心和染料分子的接触状况。但至今为止还鲜有碳气凝胶用于光催化降解有机污染物的实例。

发明内容

为了提高现有材料的光催化降解性能，本发明的目的在于提供一种简单、高效的用于有机染料的高效光催化降解的二氧化钛负载型复合碳气凝胶及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种二氧化钛负载型复合碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤:

（1）在剧烈搅拌下，将基体分散于去离子水中，配成固含量为0.8-1.2 wt %的基体分散液，所述基体为纤维素、甲壳素或壳聚糖；

（2）以乙醇/冰乙酸混合液为溶剂，加入钛酸丁酯并搅拌直至形成浅黄色透明溶胶，所述钛酸丁酯与乙醇/冰乙酸混合液的体积比为 1-3∶7.5；

（3）按照体积比为 1∶5 – 2 : 5，将上述溶胶加入基体分散液中，搅拌1.5-2.5 h后将所得混合物转入50 ml聚四氟乙烯内衬并置于高压反应釜中，在140-160℃下水热反应5.5-6.5 h，将所得样品离心分离，并重新配成0.8-1.2 wt %的分散液，冷冻干燥，得到二氧化钛负载型气凝胶；

（4）将上述二氧化钛负载型气凝胶置于管式炉中，在氮气气氛中，将管式炉中的温度一次升温到240-250℃，保温1-1.2 h；接着二次升温到400-420℃，保温1-1.2 h；然后三次升温到600-620℃，保温1-1.2h；最后四次升温到800℃，保温2-2.2 h，然后自然冷却到室温，得到二氧化钛负载型复合碳气凝胶。