一种黄土负载二氧化钛光催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种黄土负载二氧化钛光催化剂的制备方法，是以黄土作为负载剂，氯化铵为氮源，醋酸为抑制剂，钛酸四丁酯为前驱体，通过溶胶凝胶法将氮杂二氧化钛原位负载于黄土颗粒表面；然后通过煅烧，制得黄土负载二氧化钛光催化剂。光催化降解有机废水实验结果表明，本发明专利技术所制备的黄土负载二氧化钛光催化剂在模拟太阳光照射下具有很高的光催化活性，且原料易得，成本低廉，在光催化降解染料废水领域具有很好的应用前景。

Loess supported titanium dioxide photocatalyst and preparation method thereof

The invention discloses a method for preparing TiO2 photocatalyst of loess, loess is used as the load agent, ammonium chloride as nitrogen source, acetic acid as the inhibitor, four butyl titanate as precursor by sol-gel method in situ nitrogen doped titania supported on Loess particle surface; then by calcining the prepared TiO2, loess photocatalyst. The experimental results show that the photocatalytic degradation of organic wastewater, the prepared loess Supported TiO 2 Photocatalyst with high photocatalytic activity under sunlight and easily obtained raw materials, low cost, and has good application prospects in the field of photocatalytic degradation of dye wastewater.

【技术实现步骤摘要】
一种黄土负载二氧化钛光催化剂及其制备方法
本专利技术涉及一种二氧化钛光催化剂，尤其涉及一种黄土负载二氧化钛光催化剂及其制备方法，属于复合材料科学领域和光催化领域。
技术介绍
近年来，环境污染问题一直威胁着人类的生产生活，水污染问题尤其严重，工业印染废水的处理因此成为废水行业持续关注并急需解决的问题。光催化技术由于其方便快捷、环保，以及对太阳光的利用得到了广泛的研究，尤其是纳米二氧化钛，特殊的半导体结构使其具有较高的催化活性，能在不同环境中对难降解的有机污染物发挥高效降解作用，并且具有无毒、无二次污染、稳定性高等优点。当然，纯纳米二氧化钛也有一些缺陷，如：禁带较宽、量子效率低；颗粒太细、易团聚、难回收等缺点。研究表明：掺杂改性（如：金属离子掺杂、非金属离子掺杂、离子共掺杂等）可使其禁带宽度变窄，从而能够吸收波长更长的可见光，提高对太阳光的利用率。为了改善纳米二氧化钛在实际应用中存在的一些不足（如：颗粒太细，实际应用过程中易团聚，水溶液体系中回收困难，不易于水相分离等），可将二氧化钛负载到无机、有机高分子载体。黏土作为一类稳定而有效的载体，用于负载纳米二氧化钛，如：Sun等（AppliedCatalysisA:General,2013,458:103-110.）采用水解沉积法制备了三种多孔无定形二氧化硅（硅藻土，蛋白石，多孔沉淀二氧化硅）负载二氧化钛光催化剂，发现二氧化硅载体的性质可以影响颗粒尺寸以及二氧化钛的晶型结构，在紫外光下降解罗丹明B时，硅藻土负载二氧化钛对罗丹明B的脱色率达到85%。吕珺等（材料热处理学报,2010,(12):19-23）采用水解沉淀法制备了云母负载纳米二氧化钛催化剂，发现其对甲基橙有光降解性能。崔皓等（CN104888777A）制备了一种凹凸棒石黏土-TiO2-Cu2O复合型可见光催化剂，复合催化剂在可见光区有响应，催化降解效率高，可以利用可见光降解有机物。苏磊等（CN105797762A）采用污泥、粘土、活性炭或木屑、氢氧化钙等原料制成陶粒，通过溶胶凝胶法制成的Sm掺杂二氧化钛纳米粉体，后经水热法，氮气条件下气相烧结等工艺得到一种光催化陶粒。郭迎庆等（CN201610477453.2）公开了一种近红外光催化柱撑粘土催化剂的制备方法。这些方法各具特色。然而，为了更有利于该类催化剂的推广应用，需要寻找更加廉价而有效的载体材料。黄土是一种来源广泛、廉价易得的天然无机材料，其疏松片层结构使其具有一定的吸附能力，经酸化改性之后，比表面积增大，同时吸附能力增强。因此，将掺杂了非金属氮的二氧化钛负载到经酸化处理过的黄土颗粒表面，使两者的性能协同作用，能够成为优异的光催化材料应用于废水处理中。
技术实现思路
本专利技术目的是利用黄土的结结构和特性，提供一种黄土负载二氧化钛光催化剂的制备方法。一、黄土负载二氧化钛光催化剂的制备本专利技术黄土负载二氧化钛光催化剂的制备方法，是通过溶胶凝胶法将氮杂二氧化钛原位负载于黄土颗粒表面。具体工艺为：将酸化黄土分散于醇-水混合溶液中，加入氯化铵作为氮源，醋酸作为抑制剂，并用浓酸调节体系pH=1~3，得到黄土混合液；再将钛酸四丁酯均匀分散于无水乙醇得到的钛酸四丁酯溶液，加入到上述黄土混合液中，搅拌20~30分钟形成溶胶；然后升温至40~75℃，静置陈化6~36小时形成凝胶，干燥，研磨成粉；最后在350~650℃煅烧0.5~3小时，得到黄土负载二氧化钛光催化剂。所述酸化黄土的制备，是将黄土分散到浓度1~5mol/L的HCl溶液中，在45~85℃下机械搅拌1~5小时，冷却，过滤，蒸馏水洗至中性，40~80℃真空干燥6~36小时，即得酸化黄土。所述醇-水混合溶液中，醇为无水乙醇、甲醇或质量分数75%~95%的乙醇；水和醇的体积比为1:1~1:6；黄土混合液中，酸化黄土的分散量为0.05~0.02g/mL。氮源氯化铵加入量为酸化黄土质量的0.01~0.03倍。抑制剂醋酸加入量为1~5mL/g酸化黄土。钛酸四丁酯与酸化黄土的质量体积比为1~5mL/g。所述钛酸四丁酯溶液中，钛酸四丁酯和无水乙醇体积比为1:1~1:5。所述浓酸为浓度60%~68%的浓硝酸。二、黄土负载二氧化钛光催化剂形貌与结构分析1、宏观与微观形貌图1为本专利技术制备的黄土负载二氧化钛光催化剂的宏观形貌图。从图1可以看出，黄土负载二氧化钛光催化剂为灰白色粉末状颗粒，与酸化黄土相比颜色更深，这也有利于催化剂对光的吸收。采用扫描电镜观察了黄土负载二氧化钛光催化剂的微观形貌，结果见图2，其中a为天然黄土，b为酸化黄土，c为负载二氧化钛的黄土。从扫描电镜图可以看出，黄土负载二氧化钛光催化剂表面疏松，有更多的裂纹，并且表面负载了纳米级的二氧化钛颗粒，这也说明本专利技术制备的黄土负载二氧化钛光催化剂对污染物的降解是黄土的吸附作用和二氧化钛的光降解协同作用的结果。2、红外光谱分析图3是黄土负载二氧化钛光催化剂的红外谱图，其中470cm-1处是Ti-O键的伸缩振动，1026cm-1附近为Si-O-Si的伸缩振动吸收峰，3000~3500cm-1附近出现的宽吸收峰为二氧化钛表面的O-H伸缩振动引起的，720cm-1附近为石英的特征吸收峰，相比于黄土颗粒，黄土负载二氧化钛光催化剂中此峰较弱，这可能是由于煅烧的缘故。由图3可知，黄土颗粒的结构基本保持，也可以检测到二氧化钛的特征峰，说明复合材料由黄土和二氧化钛组成，这也与SEM结果一致。3、XRD分析图4是黄土负载二氧化钛的XRD图，其中在25.38°、37.73°、48.11°出现的衍射峰分别对应锐钛相二氧化钛的（101）、（004）、（200）晶面，20.86°、48.11°和50.13°处出现的很强的衍射峰是黄土中石英的特征衍射峰，28°附近出现的衍射峰是黄土中无定形硅酸盐或硅铝酸盐的特征衍射峰，这些都说明复合材料由黄土和二氧化钛组成，并且二氧化钛主要呈锐钛相晶型，且黄土的加入并没有影响二氧化钛的晶型。三、黄土负载二氧化钛光催化剂的光降解性能测试亚甲基蓝作为一种有代表性的污染物，用于测试黄土负载氮掺杂二氧化钛的光催化活性。称取0.05g的光催化剂，分散到50mL的亚甲基蓝溶液（C=20mg/L）中，暗反应20min达到吸附脱附平衡，然后在800w氙灯光源下磁力搅拌135min，每隔一定时间取5mL样离心，上层液通过0.22µm的滤膜，采用紫外可见分光光度法测定残余亚甲基蓝的浓度，计算脱色率。图5为不同催化剂及不同条件下对亚甲基蓝的光降解曲线图。从图5可以看出，黄土负载二氧化钛在暗反应20min后对亚甲基蓝的去除率达到57.3%，光照135min后去除率达到94.2%，而在无光照条件下，135min后去除率达到60％后基本保持不变，说明黄土负载二氧化钛对亚甲基蓝具有一定的吸附能力，开启光源后主要是光催化降解发挥主要作用。而氮掺杂二氧化钛在暗反应20min后对亚甲基蓝基本无去除，光照后去除率持续上升。以上结果说明黄土负载二氧化钛复合光催化剂在模拟太阳光下对亚甲基蓝具有很好的催化降解性能，且降解反应是黄土颗粒的吸附和氮掺杂二氧化钛协同作用的结果。综上所述，本专利技术以黄土作为负载剂，氯化铵为氮源，醋酸为抑制剂，钛酸四丁酯为前驱体，通过溶胶凝胶法将氮杂二氧化钛原位负载于黄土颗粒表面；然后通过煅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种黄土负载二氧化钛光催化剂的制备方法，是将酸化黄土分散于醇‑水混合溶液中，加入氯化铵作为氮源，醋酸作为抑制剂，并用浓酸调节体系pH=1~3，得到黄土混合液；再将钛酸四丁酯均匀分散于无水乙醇得到的钛酸四丁酯溶液，加入到上述黄土混合液中，搅拌20~30分钟形成溶胶；然后升温至40~75℃，静置陈化6~36小时形成凝胶，干燥，研磨成粉；最后在350~650℃煅烧0.5~3小时，得到黄土负载二氧化钛光催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种黄土负载二氧化钛光催化剂的制备方法，是将酸化黄土分散于醇-水混合溶液中，加入氯化铵作为氮源，醋酸作为抑制剂，并用浓酸调节体系pH=1~3，得到黄土混合液；再将钛酸四丁酯均匀分散于无水乙醇得到的钛酸四丁酯溶液，加入到上述黄土混合液中，搅拌20~30分钟形成溶胶；然后升温至40~75℃，静置陈化6~36小时形成凝胶，干燥，研磨成粉；最后在350~650℃煅烧0.5~3小时，得到黄土负载二氧化钛光催化剂。2.如权利要求1所述一种黄土负载二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于：酸化黄土的制备，是将黄土分散到浓度1~5mol/L的HCl溶液中，在45~85℃下机械搅拌1~5小时，冷却，过滤，蒸馏水洗至中性，40~80℃真空干燥6~36小时，即得酸化黄土。3.如权利要求1所述一种黄土负载二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于：黄土混合液中，酸化黄土的分散量为0.05~0.02g/m...

【专利技术属性】
技术研发人员：何玉凤，逯婷君，王荣民，王其召，汪倩倩，
申请(专利权)人：西北师范大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62