羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂、制备及应用

技术领域

本发明涉及光催化剂技术领域，尤其涉及羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂、制备及应用。

背景技术

TiO

目前TiO

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂、制备及在废水处理中应用，在反应过程中即可形成气凝胶结构，从而提高了催化剂的生产效率，且制备的催化剂具有优异的光催化性能。

本发明提出的羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂的制备方法，方法步骤如下：

S1：将钛酸酯溶于无水乙醇，得溶液A；

S2：将无水乙醇和冰乙酸溶于去离子水，得溶液B；

S3：将溶液B加入溶液A中，搅拌下得均匀溶胶，再加入羽毛绒搅拌并在室温下陈化，经干燥后即为含有羽毛绒的凝胶；

S4：对S3中含有羽毛绒的凝胶进行煅烧，得羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂。

优选地，所述钛酸酯为钛酸丁酯和/或钛酸异丁酯。

优选地，所述钛酸酯、冰乙酸、无水乙醇和去离子水的摩尔比为12-18:2-4:6-10:1；S1和S2中的无水乙醇的用量摩尔比为1-3:1。

优选地，S3中陈化的时间为1.5-2.5h。

优选地，S3中干燥的条件为：温度60-100℃，时间10-20h。

优选地，S3中煅烧的条件为：经0.5-1.5h升温至450-550℃，并保温1.5-2.5h，然后降温至80-100℃后取出。

本发明提出的上述方法制备的羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂。

优选地，该催化剂一面亲水另一面疏水，具有Janus结构。

本发明提出的上述羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂在含有有机污染物废水处理中的应用。

本发明的有益技术效果：

(1)本发明通过羽毛绒与溶液混合，经陈化、干燥和煅烧后即可形成气凝胶，也即本发明的气凝胶在催化剂制备过程中即可形成，不需要经过额外处理，因此提高了光催化剂的生产效率。

(2)本发明的光催化剂具有多孔的气凝胶结构，在处理废水时具有优异的污染物降解效果。

(3)常规羽毛绒在300℃以上时部分羽轴的结构发生断裂，大部分的羽枝的结构已经完全碳化消失，纤维结构被破坏，而采用本发明的工艺在500℃左右煅烧时，制备的光催化剂由分裂成不同大小的块状构成，煅烧后保持有羽毛的纤维结构，二氧化钛能够充分包裹住羽毛，颗粒间有轻微的团聚，块状颗粒有些微的孔洞结构，比表面积较大；羽毛绒保持的纤维结构使催化剂具有高比表面积的多孔蓬松结构，进而能够对污染物充分的吸附和降解。

(4)本发明的羽毛绒中具有微量金属元素和二硫键，在于二氧化钛掺杂后能够进一步提高催化剂的活性。

(5)本发明制备的光催化剂具有一面疏水一面亲水的Janus结构，因此具有优异的水蒸发性能，在紫外光和可见光下均具有优异的光催化效果。

附图说明

图1为本发明提出的羽毛绒在不同碳化温度下的SEM图；其中(a)为碳化前；(b-e)的碳化温度分别为260℃、280℃、300℃和320℃；

图2为本发明提出的含有羽毛绒的凝胶煅烧前后的SEM图；其中(a)为煅烧前，(b)为煅烧后；

图3为本发明提出的原羽绒和实施例1制备的羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂的接触角测试结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

实施例1

本发明提出的羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂的制备方法，方法步骤如下：

S1：将17ml钛酸丁酯溶于24ml乙醇中，磁力搅拌0.5h，得到A溶液；

S2：将12ml乙醇与9ml冰乙酸、7.2ml去离子水混合，磁力搅拌0.5h，得到B溶液；

S3：将配置好的B溶液置于胶头滴管中以2滴/s滴入A溶液中，磁力搅拌2h，得到均匀的溶胶，放入0.5g的羽毛绒充分搅拌，室温下陈化2h，放入干燥箱中80℃干燥15h，得到含有羽毛绒的凝胶，放入管式炉中煅烧，经过1h升温至500℃，在500℃中保温2h，降温至100℃后取出，得羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂。

实施例2

本发明提出的羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂的制备方法，方法步骤如下：

S1：将15ml钛酸丁酯溶于20ml乙醇中，磁力搅拌0.5h，得到A溶液；

S2：将10ml乙醇与7ml冰乙酸、6ml去离子水混合，磁力搅拌0.5h，得到B溶液；

S3：将配置好的B溶液置于胶头滴管中以1滴/s滴入A溶液中，磁力搅拌2h，得到均匀的溶胶，放入0.5g的羽毛绒充分搅拌，室温下陈化1.5h，放入干燥箱中60℃干燥20h，得到含有羽毛绒的凝胶，放入管式炉中煅烧，经过0.5h升温至450℃，在450℃中保温1.5h，降温至80℃后取出，得到羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂。

实施例3

本发明提出的羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂的制备方法，方法步骤如下：

S1：将20ml钛酸丁酯溶于26ml乙醇中，磁力搅拌0.5h，得到A溶液；

S2：将15ml乙醇与10ml冰乙酸、9ml去离子水混合，磁力搅拌0.5h，得到B溶液；

S3：将配置好的B溶液置于胶头滴管中以1滴/s滴入A溶液中，磁力搅拌2h，得到均匀的溶胶，放入0.5g的羽毛绒充分搅拌，室温下陈化2.5h，放入干燥箱中100℃干燥10h，得到含有羽毛绒的凝胶，放入管式炉中煅烧，经过1.5h升温至550℃，在550℃中保温2.5h，降温至100℃后取出，羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂。

将若干羽毛绒清洗干燥后，再在不同的温度下在碳化炉中进行碳化处理，升温速率设置为5℃/min，碳化时间2h，结果如图1所示。由图1的(b)和(c)可以看出，在碳化温度为260℃和280℃条件下，羽毛绒仍然保留其原羽毛的纤维结构，其羽毛绒的羽轴部分和羽枝部分结构比较完整，表面平整光滑，结构紧密，随着碳化温度的升高至300℃(图1(d))，羽毛绒的部分羽轴部分发生断裂，大部分的羽枝部分已经完全碳化消失，纤维结构被破坏，温度继续升高至320℃(图1(e))，羽毛绒表面呈现碎片结构，碳骨架破碎，可以看出羽毛绒整体遭到严重的损坏，羽轴部分断裂更为严重，羽枝部分已经完全碳化消失，颜色整体变为焦炭的黑色，表面的薄片状结构不断增加，结果表明，碳化温度对羽毛绒样品形貌的影响很大，温度过高，碳化后羽毛绒结构会有一定破坏。

而在对实施例1中含有羽毛绒的凝胶煅烧前后进行形貌结构分析时发现煅烧前的含有羽毛绒的凝胶整体呈现淡黄色蓬松状结构，电子显微镜下可以看出保持其凝胶结构的块状固体以及完整的羽毛纤维状结构(图2(a))；煅烧后的样品呈现黑色块状固体，块状固体本身很脆，强度很低，稍微受到碰撞就变成粉末，经过扫描电镜分析，从图2(b)可以看出，凝胶由分裂成不同大小的块状构成，碳化后保持有羽毛的纤维结构，二氧化钛能够充分包裹住羽毛，颗粒间有轻微的团聚，块状颗粒有些微的孔洞结构，比表面积较大。也即采用本申请的工艺在更高温度(500℃)下对含有羽毛绒的凝胶进行煅烧时，羽毛绒仍能够保持纤维结构，正是基于此使催化剂具有高比表面积的多孔蓬松结构，进而能够对污染物充分的吸附和降解。

为了更直观地表明羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂的亲水性，对原羽毛绒和实施例1制备的羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂与去离子水的接触角进行测定，测试前将样品干燥2h，然后利用接触角仪的高速摄像机拍摄水滴接触样品时的画面，通过五点拟合法对样品表面的水滴拟合得到液-固界面的夹角，结果如图3所示。未碳化的羽毛绒亲水性较差接触角为146.528°，碳化处理后，羽毛绒的颜色变成黑色，接触角从146°减少到99°，这表明了碳化后羽毛绒表面有一定的亲水性，通过下表面可以传输水分到上表面，并且产生的水蒸气也可以从上表面逸出，保证了样品蒸发时水的供给；同时，羽毛绒碳基材料经过抽滤制成膜能浮在液体表面，表明羽毛绒碳化后的材料上表面有一定疏水性，这种疏水性表面保证了羽毛绒基碳材料材料自漂浮性能。

为了验证该羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂对废水的处理效果，使用光催化降解装置对实施例1制备的羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂进行不同时长的连续水处理试验，污染模拟物为甲基橙溶液，光源采用紫外光和可见光两种光源，对其进行降解实验，降解情况如表1所示，凝胶在紫外光照18h对甲基橙的降解率可达98％，凝胶在可见光18h对甲基橙的降解率可达72％，紫外光的降解情况要更好，原因是TiO

表1甲基橙降解效果

此外，对实施例1制备的羽毛绒碳化改性二氧化钛气凝胶光催化剂的水蒸发性能进行测定，具体方法为：(1)将对照组和实施例1的材料裁剪成尺寸为2.5cm*2.5cm*0.5cm的规格；(2)在长宽高均为2.5cm的方形玻璃摸具注满去离子水，把材料平放在水面上，使材料润湿；(3)用尺子量出液面和平台之间的距离为2cm，保持环境温度25℃左右，湿度40％以下，打开全自动交流稳压器(TND-2000VA型，浙江德力西电器有限公司)开关，打开模拟日光氙灯光源(PL-XQ500W型，北京普林塞斯科技有限公司)开关，调节电流至19.2A，链接电脑软件，每隔5分钟记录一次水的质量，连续记录一小时质量变化；处理时间1h后的结果如表2所示，其中对照组为未加入二氧化钛的羽毛绒碳化材料。

表2水蒸发性能检测

由表1的试验结果可以看出，本发明通过在羽毛绒碳化材料中掺杂二氧化钛，形成的一面疏水一面亲水的Janus结构具有优异的水蒸发性能，水蒸发速率接近未加入二氧化钛的羽毛绒碳化材料的2倍。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。