[发明专利]一种光控可逆吸附偶氮染料的TiO2干凝胶及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种光控吸附材料的制备方法和用途，更具体的说是涉及一种光控可逆吸脱附偶氮染料的TiO₂干凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

吸附是一个重要的界面过程，可用于气体分离、水的净化以及资源的回收利用等。吸附也是光催化反应的必经和首要步骤。TiO₂光催化剂因稳定性好，催化效率高等优点，其制备及应用研究已成为催化领域的研究热点。目前限制TiO₂光催化应用的主要瓶颈在于对太阳能的利用率低。染料分子吸附在TiO₂表面可通过染料分子的光敏作用提高能源的利用率。在染料敏化的太阳能电池中，染料分子在金属氧化物（TiO₂、SnO₂等）电极表面吸附，光照后由基态跃迁至激发态，电子转移至半导体的导带。此过程中，染料分子的有效吸附是提高光电转换效率的关键。由于染料敏化电池的电极浸泡于电解质溶液中，电极表面的染料分子处于动态的吸附和脱附过程中。脱附后的染料将失去对金属氧化物的敏化作用。因此，在染料敏化的太阳能电池中脱附是一个不利因素。与之相反，在选择性光催化氧化过程中催化生成的产物在催化剂表面的脱附较慢，产物在催化剂表面的累积有可能成为催化反应的限制因素。因此，有效控制吸附-脱附过程是高效利用吸附这一界面现象的关键。

吸附通常是一个自发进行的过程，对吸附-脱附过程的调控通常需要借助各种化学或物理手段，主要有溶剂洗脱、温度、pH值、光、磁场和电场等。其中，光照因可利用取之不尽用之不竭的太阳能资源，避免了一些其它方法能耗高或二次污染的问题，因而备受关注。专利申请号为CN200910242242.0的公开了利用光照控制碳纳米管溶解度的方法，主要是通过偶氮苯类化合物与环糊精形成的包结型超分子复合物在一定波长的光照下发生解离，实现增加碳纳米管在水中的溶解度。人们业已观察到在金属氧化物表面的光致吸附或脱附小分子气体的现象，但是这些过程通常不可逆而且因吸附量低，材料不足以作为吸附剂使用。因此，开发具有光控可逆吸脱附染料能力的材料已经成为以上应用领域迫切需要解决的难题。

发明内容

1、发明要解决的技术问题

针对现有的吸附材料在脱附方面存在的能耗高、二次污染的问题，本发明提供了一种光控可逆吸附偶氮染料的TiO₂干凝胶及其制备方法和应用，合理调节不同原料的配比以及凝胶的形成条件方制备得到TiO₂干凝胶，可以紫外光为唯一能源实现对偶氮染料的可逆吸附和脱附。

2、技术方案

本发明原理：采用溶胶-凝胶法，通过调节不同原料的配比以及凝胶的形成条件制备TiO₂干凝胶，目的是TiO₂干凝胶吸附-脱附偶氮染料的可逆过程能够通过光照加以控制。

其技术方案如下：

一种光控可逆吸附偶氮染料的TiO₂干凝胶的制备方法：

（1）将乙酰丙酮、钛酸四丁酯和乙醇按一定的顺序和比例在室温下搅拌，混合均匀，其中钛酸四丁酯与乙酰丙酮的体积比是10:0.75-3；

（2）将一定量的去离子水、醋酸或硝酸和乙醇混合均匀，缓慢滴入步骤（1）所得溶液，室温下搅拌30分钟后得到均匀溶胶，其中所用原料体积比钛酸四丁酯：乙醇：水：硝酸或醋酸 为 10 : 20-40 : 1-3 : 0.25-0.75；

（3）溶胶置于自然条件下老化至凝胶，干燥至恒重，得到光控可逆吸附偶氮染料的TiO₂干凝胶。

步骤（2）中所添加硝酸或醋酸的量使所得溶胶的pH值在2-5之间。步骤（3）中老化时间1-7天，真空干燥温度为40-80℃。

采用上述方法制备得到的光控可逆吸附偶氮染料的TiO₂干凝胶，室温下为淡黄色颗粒（图1），具有一定的疏水性（图2）。低功率紫外灯光照条件下有效吸附偶氮染料，撤去光照后，偶氮染料可逆脱附，并且多次光照可实现循环吸附-脱附（图3）。

3、有益效果

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的光控可逆吸附偶氮染料的TiO₂干凝胶的制备方法步骤简单，原料易得，制备过程环境友好；