[发明专利]一种碳纤维负载三层二氧化钛光催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳纤维负载三层二氧化钛光催化剂及其制备方法和应用，属于光催化消毒材料制备与应用技术领域。本发明的制备方法，包括如下步骤：将异丙醇、二乙烯三胺、氢氟酸和有机钛源混合，然后加入碳纤维‑TiO₂晶籽层‑TiO₂纳米棒前驱体材料，进行水热反应，即得到碳纤维负载三层二氧化钛光催化剂。本发明制备的光催化剂具有二氧化钛负载量更高、电子空穴分离效果更好、不依赖水温即可有效灭活细菌的优点，同时具有取用替换更方便、可循环使用、同步去除有机物的优点；能够用于饮用水消毒。

技术领域

本发明涉及光催化消毒材料制备与应用技术领域，具体涉及的是一种碳纤维负载三层二氧化钛光催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

饮用水安全是人民生活的基础诉求，当前针对饮用水消毒的技术集中在投加药剂、膜过滤、电化学消杀上，虽然效果显著，但是成本高昂，消毒设备笨重或面临消毒副产物威胁，缺乏针对偏远欠发达地区的有效消毒材料与技术。WHO建议在落后地区将饮用水在阳光下照射3～5小时，利用太阳光中紫外线灭活微生物，低纬度地区光照强烈，符合基本的光照强度要求。然而，考虑到光照时长、天气变化、云层、水深等因素的影响，单独紫外线灭菌通常效果欠佳。另外，地表水中受人类活动与生物代谢活动影响，会受到一定程度的有机物污染，单纯光照无法解决这一问题，而光催化可同时实现强化光照灭菌效果和去除部分有机物的目的。

公开号为CN112741923A的中国专利“一种用于医疗环境消毒除菌的光触媒制剂及制备方法”提出了一种用于消毒灭菌的光触媒TiO₂基材料，具有对耐药菌持久杀伤、对人体无毒等优点，然而为了提高灭菌效果，其添加了纳米银作为助催化剂，成本大幅上升，且其作为一种粉体药剂，释放与回收均需要专门装置，需要一种负载到宏观载体上的纯TiO₂基材料来降低成本，方便取用。公开号为CN104150561A的中国专利“一种用于再生水及雨水消毒的光催化消毒反应器及光催化材料及制备方法、应用和应用方法”提出了一种利用紫外灯与二氧化钛涂层进行水体消毒的反应器设计思路，具有一定可行性，但其消毒作用依赖于紫外灯光照；另一方面，研究者将粉体TiO₂基材料直接粘胶固定在基底上，证实了TiO₂基材料直接用于饮用水消毒的机理与可行性(Chemical Engineering Journal,426,2021,131217)，并能直接利用自然光灭活细菌，但该技术良好性能依赖于负载的银团簇。这两者是近年来TiO₂基材料光催化消毒实际应用的缩影，虽然行之有效，起主导作用的却不是TiO₂基材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中光催化剂的缺点，提供了一种碳纤维负载三层二氧化钛光催化剂及其制备方法和应用；本发明制备的光催化剂具有二氧化钛负载量更高、电子空穴分离效果更好、不依赖水温即可有效灭活细菌的优点，同时具有取用替换更方便、可循环使用、同步去除有机物的优点。

本发明首先提供了一种碳纤维负载三层二氧化钛光催化剂的制备方法，包括如下步骤：将异丙醇、二乙烯三胺、氢氟酸和有机钛源混合，然后加入碳纤维-TiO₂晶籽层-TiO₂纳米棒前驱体材料，进行水热反应，即得到碳纤维负载三层二氧化钛光催化剂。

上述的制备方法中，所述氢氟酸为体积百分浓度为35％～45％的氢氟酸溶液，具体可为40％；

所述氢氟酸可替换为饱和氟盐溶液；所述饱和氟盐溶液具体可为饱和氟化钠溶液；

以体积份数计，异丙醇500份、二乙烯三胺1～5份、饱和氟盐溶液1～5份、有机钛源5～20份；

具体的，以体积份数计，异丙醇500份、二乙烯三胺1份、饱和氟盐溶液2份、有机钛源20份；

所述有机钛源为钛酸四丁酯和/或钛酸异丙酯；

所述碳纤维为碳布、碳纸和碳毡中的至少一种。