一种二氧化钛基多孔块体及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种二氧化钛基多孔块体及其制备方法和应用，该二氧化钛基多孔块体的制备方法，包括：(1)以N‑N‑二甲基乙酰胺、甲壳素和氯化锂为原料，共混配制溶胶体系；(2)将纳米二氧化钛、碳材料和低熔点金属与所述溶胶体系共混，混合均匀后，再加入造孔剂，固化后得到凝胶块体；(3)经造孔剂溶解剂将所述凝胶块体中的造孔剂溶出，再经干燥及烧结工艺制备得到二氧化钛基多孔块体。本工艺制备得到的二氧化钛基多孔块体的孔隙率高、比表面积高，可为光催化反应提供更多的反应位点，具有更高的光催化效率，同时整体力学性能良好，不存在粉末落料现象。

Titanium dioxide based porous block and preparation method and application thereof

The invention discloses a titanium dioxide-based porous block and its preparation method and application. The preparation method of the titanium dioxide-based porous block includes: (1) using N_N_dimethyl acetamide, chitin and lithium chloride as raw materials to blend and prepare a sol system; (2) dissolving nano-titanium dioxide, carbon materials and low melting point metals with the sol system; The gel system is mixed and mixed evenly, then the pore forming agent is added, and then the gel block is obtained after curing. (3) the pore forming agent of the gel block is dissolved by the pore forming agent, and the porous block of the titanium dioxide base is prepared by drying and sintering process. The porous titanium dioxide-based bulk prepared by this process has high porosity and specific surface area. It can provide more reaction sites for photocatalytic reaction, and has higher photocatalytic efficiency. At the same time, the overall mechanical properties are good, and there is no powder dropping phenomenon.

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化钛基多孔块体及其制备方法和应用
本专利技术涉及光催化材料的
，具体涉及一种二氧化钛基多孔块体及其制备方法和应用。
技术介绍
地球表面积的70％都被水体覆盖，然而97.47％的水是咸水，不能用于人们的日常生活和工业生产，仅能依赖的淡水总量不足地球总水量的3上。然而随着工业化的快速推进，人口的日益膨胀，有限的淡水资源浪费或污染严重，水资源问题严峻。目前，常用的污水处理技术有：(1)物理处理技术；(2)水的化学处理技术；(3)生物处理技术等。其中，光催化氧化法因其利用可持续的太阳能来驱动整个反应过程，在环境保护、医疗卫生等领域有着较好的应用前景，因而引起了研究者的广泛关注。纳米二氧化钛(TiO2)具有化学稳定性好、耐久性强，无毒副作用，价格廉价，且能够重复使用而不降低光催化活性等优势，在空气净化，污水处理、杀菌、防雾自清洁和能源等领域有着广阔的应用前景。目前，在应用纳米二氧化钛光催化降解有机污染物的研究中主要采用悬浮法，即以二氧化钛粉末为光催化剂悬浮于溶液中，二氧化钛粉末具有较大的比表面积和较好的光催化活性，但在实际应用中，其对污染物的吸附性能较差，不能充分发挥其光催化功能；而且，悬浮体系还存在二氧化钛使用后难以回收的问题，要将催化剂粉末颗粒从流动相中分离出来，通常需经絮凝、过滤等过程，因而反应器只能为间歇式操作的反应器，处理过程繁杂、成本高，且需动力搅拌维持悬浮，不利于实现工业化。通过将光催化材料制备成块体的形式，可以有效地解决这一问题。目前制备TiO2块体的技术有：溶胶-凝胶法、粉末烧结法、热喷涂等。传统的制备或工艺复杂、设备昂贵，或生产成本较高、不宜工业化，或块体材料孔隙结构无法调控，孔隙率低，光催化性能差等问题。目前，已经有针对上述技术问题提出的新型制备工艺，如张利等(可见光响应的块体TiO2/GO光催化剂的制备及性能研究,张利,谢洪勇,孙志国,王婕,吕成才,上海第二工业大学学报,2016年9月.)公开了一种块体TiO2/GO光催化剂的制备方法，将一定比例的发泡剂与水混合，搅拌直至产生大量的泡沫；按比例混合二氧化钛粉末、无机粘结剂及GO粉末，混合均匀后加入泡沫并搅拌得到浆料，将浆料倒入模具后，用铁板按压，再放入马弗炉中煅烧，之后自然冷却到室温。经光催化性能分析可知，在块体光催化TiO2材料中添加石墨烯可以提高催化剂的效率并拓宽其可见光响应范围。但其大量使用无机粘结剂，使块体中实际的光催化组分含量较少，且发泡剂发泡不易调控块体的孔隙结构，往往制备的块体整体孔隙率较低，结构较为致密，尤其是块体内部孔隙结构无法有效实现贯通。因此，在实际应用过程中，尤其是污水处理过程中，污水污染物不能有效的经过块体内部各空间，使其光催化反应的接触面减少，光催化净化效果大大折扣。因此，仍亟需开发一种具有优异的光催化性能、孔结构可调的二氧化钛基块体的制备工艺。
技术实现思路
本专利技术为解决上述技术问题，公开了一种二氧化钛基多孔块体的制备方法，制备得到的二氧化钛基多孔块体的孔隙率高、比表面积高，可为光催化反应提供更多的反应位点，具有更高的光催化效率，同时整体力学性能良好，不存在粉末落料现象。具体技术方案如下：一种二氧化钛基多孔块体的制备方法，步骤如下：(1)以N-N-二甲基乙酰胺、甲壳素和氯化锂为原料，共混配制溶胶体系；(2)将纳米二氧化钛、碳材料和低熔点金属与所述溶胶体系共混，混合均匀后，再加入造孔剂，固化后得到凝胶块体；(3)经造孔剂溶解剂将所述凝胶块体中的造孔剂溶出，再经干燥及烧结工艺制备得到二氧化钛基多孔块体。本专利技术结合溶胶-凝胶法及块体烧结工艺，采用特殊组成的溶胶体系，加入原料纳米二氧化钛、碳材料和低熔点金属进行共混，固化得到凝胶块体，利用造孔剂的加入与溶出实现多孔结构，最后经低温烧结获得二氧化钛基多孔块体。本专利技术中，所述溶胶体系的原料及其组成对整个多孔块体工艺都有着重要作用，利用碳材料优异的吸附性能，使污染物有效靠近纳米二氧化钛，进而实现污染物的光催化降解；利用低熔点金属在保障纳米二氧化钛未发生相变(锐钛矿相转为金红石相)的情况下，实现块体各个组分的粘结，实现块体的整体力学强度；利用一定尺寸的造孔剂，并结合挤压成块工艺，最终使块体具备宏观贯穿大孔，且孔隙结构可控制备；最终实现多孔块体优异的光催化效果。步骤(1)中：优选地，所述溶胶体系，按质量百分比计，原料组成包括：甲壳素0.3～0.8％；氯化锂3～6％；N-N-二甲基乙酰胺余量。进一步优选为：甲壳素0.5～0.7％；氯化锂5～6％；N-N-二甲基乙酰胺余量。所述溶胶体系的配制，仅需将各原料共混后在室温搅拌均匀，形成稳定的溶剂体系即可。步骤(2)中：优选地，所述纳米二氧化钛至少包含锐钛矿型纳米二氧化钛，粒径为20～100nm；所述石墨烯、富勒烯、活性炭或石墨为粉末状，颗粒尺寸为10nm～50μm；所述纳米碳管的管径为～5nm，长度为1～2μm。此处，～5nm，是指碳纳米管的管径≤5nm。所述低熔点金属选自熔点不高于700℃的金属。本专利技术中，碳材料的适量添加，可使复合光催化块材在实际应用过程中首先有效吸附污染物靠近纳米二氧化钛成分，最终实现光催化降解；本专利技术中，还创新性的引入熔点不高于700℃的低熔点金属材料，主要基于选择低熔点金属熔点的80～90％处进行热处理，利用金属材料的微融效果，在避免纳米二氧化钛发生相变(550℃左右二氧化钛的锐钛矿相开始向金红石相转变)的情况下，实现块体中各个组分的相互粘结，使多孔块材的整体力学性能得到大幅度提升。与传统TiO2光催化多孔块材方法相比，有效保障了涂层中锐钛矿相纳米二氧化钛组分的保留。进一步优选，所述低熔点金属选自金属铝和/或金属锌。当所述低熔点金属为金属铝和金属锌时，也可以直接加入铝锌合金代替。经试验发现，采用金属铝和/或金属锌时，块体中的纳米二氧化钛组分未发生明显的晶相转变，多孔块体整理力学性能优异，不存在纳米粉末掉落问题，光催化性能良好。优选地，所述纳米二氧化钛、碳材料、低熔点金属和溶胶体系的质量比为5～15：2～10：1～8：100；所述造孔剂选自石蜡微球、氯化钠、白糖中的至少一种，粒径为100μm～2mm；所述造孔剂与其它原料在块体模具中混合、挤压成块体后取出，再次放入溶剂中固化，所述造孔剂与块体模具的体积比为75～90：100。所述其它原料为纳米二氧化钛、碳材料和低熔点金属与所述溶胶体系共混后得到的混合物；所述溶剂包括水、乙醇或乙醇水溶液。步骤(3)中：优选地，所述造孔剂溶解剂选自去离子水、二甲苯、乙醇、对二甲苯中的至少一种；所述造孔剂溶出的过程，仅需将所述凝胶块体置于所述造孔剂溶解剂中即可。优选地，所述烧结工艺，具体为：a、从室温升至120℃，保温1～2h；b、由120℃升至低熔点金属熔点的80～90％处，保温2～4h后冷却。本专利技术还公开了由上述方法制备的二氧化钛基多孔块体，所述二氧化钛基多孔块体，包括宏观贯穿大孔和微纳孔结构，其中宏观贯穿大孔尺寸为微米级，范围为20～800μm，微纳孔尺寸为亚微米级，范围为20nm～300nm；优选地，宏观贯穿大孔的尺寸范围为20～500μm，微纳孔的尺寸范围为20～100nm。本专利技术还公开了将上述工艺制备的二氧化钛基多孔块体在光催化降解有机污染物中的应用。经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化钛基多孔块体的制备方法，其特征在于，步骤如下：(1)以N‑N‑二甲基乙酰胺、甲壳素和氯化锂为原料，共混配制溶胶体系；(2)将纳米二氧化钛、碳材料和低熔点金属与所述溶胶体系共混，混合均匀后，再加入造孔剂，固化后得到凝胶块体；(3)经造孔剂溶解剂将所述凝胶块体中的造孔剂溶出，再经干燥及烧结工艺制备得到二氧化钛基多孔块体。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化钛基多孔块体的制备方法，其特征在于，步骤如下：(1)以N-N-二甲基乙酰胺、甲壳素和氯化锂为原料，共混配制溶胶体系；(2)将纳米二氧化钛、碳材料和低熔点金属与所述溶胶体系共混，混合均匀后，再加入造孔剂，固化后得到凝胶块体；(3)经造孔剂溶解剂将所述凝胶块体中的造孔剂溶出，再经干燥及烧结工艺制备得到二氧化钛基多孔块体。2.根据权利要求1所述的二氧化钛基多孔块体的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述溶胶体系，按质量百分比计，原料组成包括：甲壳素0.3～0.8％；氯化锂3～6％；N-N-二甲基乙酰胺余量。3.根据权利要求1所述的二氧化钛基多孔块体的制备方法，其特征在于，步骤(2)中：所述纳米二氧化钛至少包含锐钛矿型纳米二氧化钛，粒径为20～100nm；所述碳材料选自石墨烯、富勒烯、纳米碳管、活性炭、石墨中的至少一种；所述低熔点金属选自熔点不高于700℃的金属。4.根据权利要求3所述的二氧化钛基多孔块体的制备方法，其特征在于，所述石墨烯、富勒烯、活性炭或石墨为粉末状，颗粒尺寸为10nm～50μm；所述纳米碳管的管径为～5nm，长度为1～2μm。5.根据权利要求3所述的二氧化钛基多孔块体的制备方法，其特征在于，所述低熔点金属选自金属铝和/或金属锌。6.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晶，翟梦娇，龚永锋，刘奕，周平，张波涛，所新坤，李华，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33