一种木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于复合纳米材料制备技术领域，公开了一种木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂及其制备方法和在光催化领域中的应用。本发明专利技术制备方法先把木质素磺酸盐与烷基三甲基溴化铵混合进行疏水改性，得到木质素复配物；将木质素复配物、钛醇盐加入乙醇中得到乙醇溶液，把乙醇溶液加入水溶液中，搅拌反应，得到木质素/TiO2复合物；加热煅烧，得到木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂。本发明专利技术方法制备得到的木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂中二氧化钛粒径小，且分布均一，具有显著提高的光催化效率，对罗丹明溶液的降解速率是Degussa P25的7倍，可应用于光催化领域中，特别是在光催化降解有机污染物领域具有潜在的应用价值。

A Lignin Carbon/Nano-Titanium Dioxide Composite Photocatalyst and Its Preparation Method and Application

The invention belongs to the technical field of preparing composite nanomaterials, and discloses a lignin carbon/nano titanium dioxide composite photocatalyst, its preparation method and its application in the field of photocatalysis. The preparation method of the invention firstly mixes lignin sulfonate with alkyl trimethylammonium bromide for hydrophobic modification to obtain lignin compound; adds lignin compound and titanium alkoxide salt to ethanol to obtain ethanol solution, adds ethanol solution to water solution, stirs reaction, and obtains lignin/titanium dioxide composite; calcines and obtains lignin carbon/nanometer titanium dioxide composite photocatalyst. \u3002 The lignin carbon/nano-titanium dioxide composite photocatalyst prepared by the method of the invention has small particle size and uniform distribution, and has remarkably improved photocatalytic efficiency. The degradation rate of rhodamine solution is 7 times that of Degussa P25, and can be applied in the field of photocatalysis, especially in the field of photocatalytic degradation of organic pollutants.

【技术实现步骤摘要】
一种木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于复合纳米材料制备
，特别涉及一种木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂及其制备方法和在光催化领域中的应用。
技术介绍
近年来，随着社会的发展，纺织品、精细化工生产过程中排放的有机废水造成严重的环境污染问题，已受到全球科研工作者的高度重视。光催化技术作为一种新型有效的绿色技术，在环境和能源领域有着重要的应用前景。纳米二氧化钛作为一种优异的半导体材料，具有化学性质稳定、抗腐蚀、耐酸碱、廉价等优点，被广泛地用作光催化剂，可用于降解水中的有机污染物。然而，二氧化钛的光催化活性受其禁带宽度的限制(金红石相的禁带宽度为3.0eV，而锐钛矿相的禁带宽度为3.2eV)，只能被波长小于380nm以下的紫外光所激发，太阳光利用率较低。另一方面，当TiO2光催化剂受到太阳光照射时，激发产生的电子和空穴很容易在其表面和体内发生复合，导致光催化效率低。碳材料具有良好的电子传输能力，并且对半导体材料具有一定的敏化作用，将半导体材料和碳材料复合在一起，可以在一定程度上克服上述缺陷。大量的研究表明，将碳材料(石墨烯、碳纤维、碳纳米管等)和TiO2进行复合，可显著改善其光催化性能。文献(ACSAppliedMaterials&Interfaces,2013,5(3):1156-1164.)公布了一种通过溶胶-凝胶法和水热法处理制备具有不同碳材料添加比例的TiO2/碳(GR，CNT和C60)纳米复合材料的方法，并通过光催化降解苯甲醇研究了合成的TiO2/碳复合材料的光催化性能，通过添加GR，CNT和C60都可以诱导可见光区域的光吸收强度增加，有效促进TiO2/GR，TiO2/CNT和TiO2/C60纳米复合材料的可见光响应，并且促进光激发的电子-空穴对的有效分离，进而提高其光催化效率。中国专利CN107308929A公布了《一种石墨烯-纳米二氧化钛复合物光催化剂》，其制备方法是先用石墨粉合成氧化石墨烯，再加入去离子水配置成氧化石墨烯溶液，接着加入十六烷基溴化铵溶液和三氯化钛溶液，高压反应釜中反应，然后沉淀，洗涤即得到产物。然而，以上碳基/TiO2复合光催化剂的碳基材料(石墨烯、碳纳米管、富勒烯等)制备过程复杂且价格昂贵，制备过程中需要用到强酸强碱，环境污染严重；制备出具有一定形貌的碳基材料再与TiO2复合，导致两者之间的结合力弱；同时，石墨烯等碳基材料自身易团聚，导致制备的复合光催化剂中碳基材料和二氧化钛分布不均。这些问题都大大限制了其光催化性能，阻碍了其商业应用前景。木质素是一种具有三维空间网状结构的高分子聚合物，其含碳量高，活性官能团多，在自然界中的储量仅次于纤维素，是制备碳材料的优异前驱体。工业木质素主要来自制浆造纸工业的副产物：亚硫酸法制浆红液中的木质素磺酸盐和碱法制浆黑液中的碱木质素，大部分被当作废液处理和排放。将工业木质素进行有效的利用不仅可以节约资源，而且有利于减轻环境负担。将木质素作为模板用来制备二氧化钛已有报道，如文献(森林工程,2015(3):54-56.)以碱木质素为原料，通过曼尼希反应得到的木质素胺盐，加入到钛酸丁酯的盐酸溶液中，先80～130℃水热反应72h，然后在500℃下烧结10h，得到二氧化钛纳米粒子。中国专利CN106824151A公布了《一种木质素基介孔二氧化钛光催化材料、制备方法及应用》，其通过把四氯化钛加入到碱木质素溶液中，调节pH到1-5，60～100℃加热一段时间，加入氨水，离心分离，球磨后在400～600℃煅烧5h，除去木质素后得到二氧化钛。这些以木质素为模板制备二氧化钛的方法，虽然可以得到性能较好的二氧化钛，但是制备过程复杂，要水热、球磨等过程，而且为了除去模板，一般需要长时间煅烧，既增加了成本，同时木质素也没有得到充分利用。以木质素为原料与二氧化钛复合制备光催化剂也有报道，如文献(广东化工,2017,44(16):7-8.)以木质素磺酸钠为原料，通过把钛酸丁酯直接加入木质素磺酸钠的乙醇水混合溶液中，经过静置、洗涤、离心、干燥、煅烧得到木质素磺酸钠/二氧化钛光催化剂。由于制备过程中把钛酸丁酯直接加入木质素的乙醇水混合溶液中，导致其水解过快，制备得到的二氧化钛的粒径较大，且木质素磺酸钠与二氧化钛之间没有强的作用力，导致包覆在二氧化钛表面的木质素量很少，分布不均，对复合光催化剂的性能提高有限。现有的木质素碳/二氧化钛复合光催化剂制备中，由于二氧化钛前驱体钛醇盐极易水解，不能很好的分散在木质素溶液中，只能把前驱体慢慢加入到木质素水溶液中，导致其得到的二氧化钛颗粒较大，且二氧化钛与木质素之间没有很强的作用力，木质素的包覆量较小。这些因素大大限制了以木质素作为碳源制备木质素碳/纳米二氧化钛光催化剂的发展。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂的制备方法。本专利技术方法先把木质素磺酸盐与烷基三甲基溴化铵(CnTAB)进行复配，得到可以溶于乙醇而不溶于水的木质素复配物，利用其三维网络结构且含碳量高的特点，同时作为分散剂和碳源，通过一步原位法高温煅烧制备木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂材料，从而提高其光催化降解有机物的效率。本专利技术以造纸废液中的木质素磺酸盐为原料，首先与烷基三甲基溴化铵(CnTAB)进行复配，CnTAB是一种阳离子表面活性剂，n值代表阳离子表面活性剂中的碳链长度，当CnTAB添加后，其会通过静电引力吸附于带负电的木质素磺酸盐分子表面，对其进行疏水改性，使木质素磺酸盐的溶液行为发生改变。得到的木质素复配物溶于乙醇而不溶于水，利用木质素复配物溶于乙醇的性质，与二氧化钛的前驱体一起溶解在乙醇溶液中得到混合溶液，然后缓慢滴加到水溶液中，二氧化钛前驱体水解生成二氧化钛，同时木质素的三维网络结构限制了二氧化钛粒径的增大，可以得到粒径较小，且分布均匀的纳米二氧化钛，同时木质素复配物不溶于水，通过疏水作用可以把木质素包覆在二氧化钛表面；最后，经过离心和煅烧即可得到木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂。本专利技术另一目的在于提供上述方法制备得到的木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂。本专利技术方法制备得到的木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂中二氧化钛粒径小，且分布均一，表面牢牢的包覆一层木质素碳，极大提高了二氧化钛的光催化效率，解决了二氧化钛在光催化过程中由于可见光利用率低、光生电子和空穴易复合等因素导致的光催化效率低的问题，在光催化降解有机污染物领域具有潜在的应用价值。本专利技术再一目的在于提供上述木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂在光催化领域中的应用。本专利技术的目的通过下述方案实现：一种木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂的制备方法，先把木质素磺酸盐与烷基三甲基溴化铵(CnTAB)混合进行疏水改性，得到木质素复配物；将木质素复配物、钛醇盐加入乙醇中得到乙醇溶液，把乙醇溶液加入水溶液中，搅拌反应，得到木质素/TiO2复合物；加热煅烧，得到木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂。以重量份数计，各反应物用量如下：木质素100份；烷基三甲基溴化铵(CnTAB)20～30份；钛醇盐100～400份；乙醇1000～4000份。所述加热煅烧的工艺优选为400～800℃煅烧1～4h。更本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于先把木质素磺酸盐与烷基三甲基溴化铵混合进行疏水改性，得到木质素复配物；将木质素复配物、钛醇盐加入乙醇中得到乙醇溶液，把乙醇溶液加入水溶液中，搅拌反应，得到木质素/TiO2复合物；加热煅烧，得到木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于先把木质素磺酸盐与烷基三甲基溴化铵混合进行疏水改性，得到木质素复配物；将木质素复配物、钛醇盐加入乙醇中得到乙醇溶液，把乙醇溶液加入水溶液中，搅拌反应，得到木质素/TiO2复合物；加热煅烧，得到木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂。2.根据权利要求1所述的木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：以重量份数计，各反应物用量如下：木质素100份；烷基三甲基溴化铵20～30份；钛醇盐100～400份；乙醇1000～4000份。3.根据权利要求1所述的木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述加热煅烧的工艺为400～800℃煅烧1～4h。4.根据权利要求1所述的木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述的木质素磺酸盐与烷基三甲基溴化铵混合进行疏水改性，具体为将木质素磺酸盐溶液与烷基三甲基溴化铵溶液混合均匀，分离沉淀物，得到木质素复配物。5.根据权利要求1所述的木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所述木质素磺酸盐溶液和烷基三甲基溴化铵溶液的体积比为10:2～10:3；所述木质素磺酸盐溶液的浓度为2～5g/L；所述烷基三甲基溴化铵溶液的浓度为2～5g/L。6.根据权利要求1所述的木质素碳/纳米二氧化钛复合光催化剂的制备方法，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨东杰，张宾朋，邱学青，王欢，楼宏铭，钱勇，刘伟峰，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44