[发明专利]以废弃物为碳源制备碳掺杂氧化钛可见光催化剂的方法

说明书

本发明属于氧化钛材料的制备领域，具体涉及以废弃物为碳源制备碳掺杂氧化钛可见光催化剂的方法。通过以氢氧化钠和氢氧化钾混合碱为熔融溶剂、以农林废弃物蕨类植物叶子及二氧化钛为原料、以盐酸溶液（pH=1）为萃取剂，以去离子水为清洗剂、洗涤剂，以无水乙醇为洗涤剂及干燥载体，在常压、180℃低温条件下，合成碳前驱体‑钛酸盐复合材料，最后经450℃煅烧得多孔结构的碳掺杂氧化钛材料。产物纯度高，化学物理性能稳定。碳表面含亲水性官能团，碳掺杂氧化钛材料呈现良好的水分散性并且光响应范围可拓展至太阳光中的可见光波段，具备可见光催化活性。

技术领域

本发明属于氧化钛材料的制备领域，具体涉及以废弃物为碳源制备碳掺杂氧化钛可见光催化剂的方法。

背景技术

环境污染已是二十一世纪急需解决的问题，污染的水源给人们的生活带来越来越严重的影响。光催化技术在污染治理和环境保护方面发挥着重要作用，可以直接将光转化成化学能，促进化合物的合成、降解，具有能耗低、效率高、无二次污染并可重复使用等优点，已成为众多科研领域广泛关注和研究的热点。二氧化钛(TiO₂)化学性质稳定、光照后不易发生光腐蚀、成本低廉、光催化反应活性高且对生物无毒，被公认为是当前最有应用潜力的一种半导体光催化剂，在过去的几十年中得到了迅速的发展，广泛应用于污水处理、空气净化、自清洁建筑材料、太阳能电池、传感器等方面。

但由于TiO₂光催化反应需以紫外光激发，使其规模化应用受到限制。为了充分利用太阳光能，并且拓宽TiO₂的规模化应用，对TiO₂催化剂进行改性，使其光响应波长红移至可见光区，从而可以直接利用太阳辐射，改变传统紫外照射需消耗能源的状况，是各种学者研究的重点。对TiO₂的改性方法包括半导体复合、金属离子掺杂、贵金属修饰、强酸修饰、染料敏化等。

光催化剂的固定化是光催化技术能否实用的一个决定性因素。在废水处理中一般是将TiO₂固定在某些载体上，不仅可增加TiO₂的比表面积，还能提高TiO₂利用率。目前常用的载体有硅胶、活性氧化铝、玻璃纤维网、层状石墨等。但是由于光催化反应主要发生在光催化剂的表面，多孔性载体通常不能很好的发挥光催化作用，反而造成催化剂的浪费。

如何制备一种能在可见光区响应的固定于载体上的TiO₂光催化剂，是本发明要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供以废弃物为碳源制备碳掺杂氧化钛可见光催化剂的方法。碳掺杂后的氧化钛材料光响应范围可拓展至太阳光中的可见光，其中碳表面含亲水性官能团，使氧化钛材料呈现良好的水分散性及可见光催化活性。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

以废弃物为碳源制备碳掺杂氧化钛可见光催化剂的方法，包括以下步骤：

1）碳前驱体-钛酸盐熔融液的制备：将无水氢氧化钠和无水氢氧化钾混合，在180℃±2 ℃、0.1 MPa条件下，熔融60 min±2 min，制得混合碱澄清液；将蕨叶粉末和二氧化钛粉末加入混合碱澄清液中，搅拌5-6min，得蕨叶+氢氧化钠+氢氧化钾+二氧化钛熔融澄清液；将蕨叶+氢氧化钠+氢氧化钾+二氧化钛熔融澄清液在180 ℃±2 ℃、0.1 MPa条件下保温720 min±10 min，获得氢氧化钠+氢氧化钾+Na₂CO₃+K₂CO₃+碳前驱体-钛酸盐熔融液；

2）趁热往氢氧化钠+氢氧化钾+Na₂CO₃+K₂CO₃+碳前驱体-钛酸盐熔融液中加入pH=1的盐酸溶液，搅拌10 min，然后自然冷却至室温，离心，取下层灰白色产物；