[发明专利]溶胶-水热法低温制备具有高选择性的无机骨架仿生TiO2光催化剂

说明书

技术领域

本发明涉及一种无机骨架仿生TiO₂光催化剂的制备方法，尤其涉及一种溶胶-水热法低温制备具有高选择性的无机骨架仿生TiO₂光催化剂的方法。

背景技术

我国是农业灌溉大国，以灌溉为主的农业用水占全国用水量的70%以上，然而，我国又是水资源非常短缺的国家。随着国民经济和城市生活水平的进一步提高，农业用水不断被工业及城市用水挤占，农业生产缺水日趋严重，特别是我国北方地区，水资源利用几乎达到临界状态，甚至危及粮食生产安全。在节水的同时，利用生活污水和工业废水回用于农业灌溉，不仅可以在一定程度上缓解农业水资源紧缺的局面，而且其中的大量无毒有机物可以直接或者间接为农作物生长提供丰富的营养，还能通过其配位作用提高土壤中矿物质养分的生物有效性，从而节省了大量化肥，降低了农业生产成本。然而，农业回用水中还含有一些有毒有害物质，这些有毒有害物质在土壤中累积、被农作物吸收并通过食物链在生物体内逐级富集，可引起动物和人类急、慢性中毒或产生致癌、致畸、致突变作用等，威胁动物甚至人类的生存和繁衍。因此，在最大限度保留农业回用水中有机营养成分的同时，选择性去除水体中的有毒有害物质是一项具有科学意义和实用价值的研究工作。

目前，利用纳米TiO₂光催化降解废水中的有毒有害有机物已成为一个备受关注的研究领域，但TiO₂光催化反应没有选择性，对农作物有用的有机营养成分和引发健康风险的有毒有机污染物会同时降解。近年来，国内外的研究人员已经开始关注TiO₂光催化无选择性的问题，并对提高TiO₂选择性做了大量研究。现有文献报道，提高TiO₂光催化选择性的途径主要有以下五个方面：(1) 通过调节溶液的pH改变TiO₂表面的荷电状态，从而提高TiO₂光催化剂对目标污染物的吸附和降解能力。但这种方法只能有效处理带正电荷或负电荷的有机污染物。实际上，绝大多数有机污染物不带电荷，此方法不能有效实现电中性有机污染物的选择性降解。(2) 用特殊小分子修饰TiO₂表面，通过纳米TiO₂表面嫁接的有机化合物与目标污染物之间的氢键或疏水亲脂作用使得污染物在催化剂表面优先吸附，从而使得这些有机污染物被选择性降解。研究表明，该方法虽使TiO₂的选择性有所提高，但分子修饰TiO₂的稳定性差，所以降解效果并不理想。(3) 制备同时包含有吸附区和光催化活性区的双区结构光催化剂，通过吸附区增强催化剂对目标污染物的吸附能力，从而增大对目标有机污染物的降解速率及降解选择性。但该双区结构光催化剂的制备十分麻烦，且选择性吸附和降解能力也有限。(4) 制备特定晶面暴露的锐钛矿TiO₂，{001}晶面暴露的锐钛矿TiO₂对带负电荷的有机污染物具有较高的选择性，但对电中性和带正电荷的有机污染物的选择性降解能力不好。(5) 将仿生识别技术与光催化技术相结合，在TiO₂表面修饰一层导电有机分子印迹聚合物而制备具有特定识别性能的仿生光催化剂。由于印迹空穴的空间结构与模板分子的构型、构象完全匹配，有利于目标污染物在仿生光催化剂表面发生选择性吸附，从而使得目标有机污染物被选择性降解。此方法不仅可以有效处理带正电荷或负电荷的有机污染物，还可以有效实现电中性有机污染物的选择性降解。综上所述，仿生识别技术与光催化技术相结合在选择性光催化降解中具有广泛的应用前景。