一种泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料，是由多孔金属泡沫钛和原位生长于其表面的二氧化钛纳米线构成，其中所述二氧化钛纳米线为锐钛矿和金红石的混合相，其含量占所述泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料总质量的5％～25％；所述多孔金属泡沫钛厚度为0.65～1.30mm，长和宽根据需要任意设定，其表面孔径大小范围为3～40μm，其表面孔径深度范围为0.1～35μm；所述二氧化钛纳米线呈现自组装交织生长，其直径为10～20nm，长度为2～3μm，且以2～3μm的厚度均匀覆盖于泡沫钛的表面。本发明专利技术还公开了所述复合材料在降解含有机染料废水中的应用，其在使用时可实现高效连续降解，稳定性高，在反应体系中不需要分离，可以反复多次使用，工业化应用前景广阔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光电催化材料及其应用，尤其涉及一种泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料及其应用，属于光电催化材料应用

技术介绍
随着石油化工、燃料工业、医药、农药的飞速发展，工业废水中有机污染物的种类和数量也在与日俱增，伴随着可持续发展这一主题，处理工业废水的任务迫在眉睫。在众多处理工业废水的控制方法中，使用光催化剂降解污染物的方法为最终解决这一问题提供了一条新途径，该方法是近年来发展起来的一种节能、高效绿色环保技术，可将有毒有机物进行彻底矿化；且光催化技术效率高，寿命长，维护简单，运行费用低。二氧化钛(TiO2)是一种重要的无机半导体功能材料，由于其自身稳定、无毒、易得、卫生安全，在降解工业废水中的有机污染物，除去空气中的有害气体等方面具有显著作用，是目前应用最为广泛的降解有机污染物的光催化剂，粉末P25二氧化钛已经商品化。但是二氧化钛粉末还不够理想，存在诸如可见光利用效率低、不易回收、二次污染、成本高等缺点。基于此，工业上处理废水经常采取对粉末二氧化钛改性的方法以克服其不足，比如已报道的有：将二氧化钛粉末固定在其它载体上，这样可以很方便地使催化剂与反应体系分离，避免二次污染；或者制备成二氧化钛薄膜。但是，所述固载粉末二氧化钛及制备二氧化钛薄膜成本高且反应活性低。多孔金属泡沫钛材料由工业所用高纯钛不规则粉末加工而成，具有结构均匀、孔径分布窄、分离效率高；孔隙率高、过滤阻力小、渗透效率高；耐高温；化学稳定性好、耐酸碱腐蚀、具有抗氧化性能；无微粒脱落，不使原液形成二次污染；抗微生物能力强，不与微生物发生作用，并且易清洗，使用寿命长等优点。目前主要用于石化、液药制造、医疗器械等基础工业中的分离和过滤，因其具有优越的生物相容性，尤其用于生物医用材料的制备。但检索发现其作为光电催化材料在降解有机废水中的应用未见报道。而对多孔金属泡沫钛材料进一步改性，以泡沫钛为前驱体和基底，在其表面覆盖二氧化钛纳米线获得新型复合高效光催化材料的文献，也未见报道。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料及其应用。本专利技术所述泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料，是以多孔金属泡沫钛为前驱体和基底，在其表面及内部孔的表面原位生长一层二氧化钛纳米线制得，其特征在于：所述泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料由多孔金属泡沫钛和生长于其表面的二氧化钛纳米线构成，其中所述二氧化钛纳米线为锐钛矿和金红石两相共存的混合相，其含量占所述泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料总质量的5％～25％；所述多孔金属泡沫钛厚度为0.65～1.30mm，长和宽根据需要任意设定，其表面孔径大小范围为3～40μm，其表面孔径深度范围为0.1～35μm；所述二氧化钛纳米线呈现自组装交织生长，其直径为10～20nm，长度为2～3μm，且以2～3μm的厚度均匀覆盖于多孔金属泡沫钛的表面。本专利技术所述泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料的制备方法，步骤是：(1)以多孔金属泡沫钛为前驱体，表面处理成钛酸钠(Na2Ti3O7)将多孔金属泡沫钛依次分别放在丙酮、乙醇、去离子水中超声10分钟以上进行净化处理，然后将其放入含有浸没量的浓度为10M的NaOH溶液的水热反应釜中，密封水热反应釜并置于烘箱中，控制水热温度在60～180℃，反应24±2h，之后自然冷却至室温，所得产物用去离子水反复冲洗至中性，干燥，制得钛酸钠生长于多孔金属泡沫钛表面的泡沫钛-钛酸纳(Ti-Na2Ti3O7)，待用；(2)将泡沫钛-钛酸纳进行质子交换，制备泡沫钛-钛酸(Ti-H2Ti3O7)将步骤(1)制得的泡沫钛-钛酸纳(Ti-Na2Ti3O7)放入0.1M的HCl溶液中，质子交换24±2h，然后将产物用去离子水反复冲洗至中性，干燥，制得泡沫钛-钛酸(Ti-H2Ti3O7)，待用；(3)焙烧泡沫钛-钛酸，制得泡沫钛-氧化钛复合光催化材料(Ti-TiO2)将步骤(2)制得的泡沫钛-钛酸(Ti-H2Ti3O7)放入马弗炉中，以加热速率为5℃/min将温度升至600℃，焙烧2～3h，得到泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料(Ti-TiO2)。上述泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料的制备方法中，步骤(1)所述多孔金属泡沫钛表面二氧化钛的物相与最初碱溶液的处理温度密切相关，水热温度优选控制在110℃。本专利技术所述泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料在降解含有机染料废水中的应用。本专利技术提供的泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料由于泡沫钛本身多孔，使光催化剂对光的吸收率大幅度提高，克服了传统光催化反应仪器中光需要透过废水才能照射到催化剂表面，反应速率低，而且需要催化剂回收造成二次污染等问题。实验证实：本专利技术的泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料在两个小时对有机染料废水中的甲基橙、罗丹明B、亚甲基蓝等的吸附数值为常数，说明很快就能达到吸附平衡，并且在只有紫外光照的情况下就表现出了较高的催化活性，当同时提供外部偏压时，活性进一步提高，30分钟内有机染料废水降解率就达到了80％以上。本专利技术采用工业原料多孔金属泡沫钛作为二氧化钛的前驱体和载体，经过水热法及质子交换制得泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料，具有方法简单，制备过程无污染的特点，其突出效果体现在：本专利技术公开的光电催化材料具有较常规光催化材料倍增的二氧化钛的比表面积，利于光的多重反射吸收，自身稳定性高，在反应体系中不需要分离降解产物和光催化材料环节，可以反复多次使用，重复循环，并且本专利技术的泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料本底泡沫钛导电性能好，可以作为电极材料应用在电催化或光电催化中，实用性强，工业化应用前景广阔。附图说明图1为金属泡沫钛(Tifoam)和经过不同水热温度下得到的Ti-TiO2(Ti-TiO2-110&Ti-TiO2-60)的X-射线衍射(XRD)图谱，“#”为锐钛矿的典型衍射峰。图2为金属泡沫钛(Tifoam)，水热温度110℃又处理经过质子交换和焙烧得到不同物质的拉曼(Raman)图其中：“A”代表锐钛矿anatase,“R”代表金红石rutile。图3为金属泡沫钛(Tifoam)，水热温度60℃和110℃分别处理金属泡沫钛得到不同氧化物的拉曼(Raman)图其中：“A”代表锐钛矿anatase,“R”代表金红石rutile。图4为金属泡沫钛的扫描电镜(SEM)照片。图5为上述泡沫钛-氧化钛(Ti-TiO2)的不同放大倍数的扫描电镜(SEM)照片。图6为泡沫钛-氧化钛(Ti-TiO2)光催化材料截面的不同放大倍数的扫描电镜(SEM)照本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种泡沫钛‑氧化钛复合光电催化材料，是以多孔金属泡沫钛为前驱体和基底，在其表面及内部孔的表面原位生长一层二氧化钛纳米线制得，其特征在于：所述泡沫钛‑氧化钛复合光电催化材料由多孔金属泡沫钛和生长于其表面的二氧化钛纳米线构成，其中所述二氧化钛纳米线为锐钛矿和金红石两相共存的混合相，其含量占所述泡沫钛‑氧化钛复合光电催化材料总质量的5％～25％；所述多孔金属泡沫钛厚度为0.65～1.30mm，长和宽根据需要任意设定，其表面孔径大小范围为3～40μm，其表面孔径深度范围为0.1～35μm；所述二氧化钛纳米线呈现自组装交织生长，其直径为10～20nm，长度为2～3μm，且以2～3μm的厚度均匀覆盖于多孔金属泡沫钛的表面。

【技术特征摘要】
1.一种泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料，是以多孔金属泡沫钛为前驱体和基底，在其表
面及内部孔的表面原位生长一层二氧化钛纳米线制得，其特征在于：所述泡沫钛-氧化钛复合
光电催化材料由多孔金属泡沫钛和生长于其表面的二氧化钛纳米线构成，其中所述二氧化钛
纳米线为锐钛矿和金红石两相共存的混合相，其含量占所述泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料
总质量的5％～25％；所述多孔金属泡沫钛厚度为0.65～1.30mm，长和宽根据需要任意设定，
其表面孔径大小范围为3～40μm，其表面孔径深度范围为0.1～35μm；所述二氧化钛纳米线
呈现自组装交织生长，其直径为10～20nm，长度为2～3μm，且以2～3μm的厚度均匀覆
盖于多孔金属泡沫钛的表面。
2.权利要求1所述泡沫钛-氧化钛复合光电催化材料的制备方法，步骤是：
(1)以多孔金属泡沫钛为前驱体，表面处理成钛酸钠(Na2Ti3O7)
将多孔金属泡沫钛依次分别放在丙酮、乙醇、去离子水中超声10分钟以上进行净化处
理，然后将其放入含有浸没量的浓度为10M的NaOH溶液的水热反应釜中，密封水热反应釜
并置...

【专利技术属性】
技术研发人员：常苏捷，刘宏，桑元华，李海东，陈国辉，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37