一种CuS掺杂纳米TiO2光催化剂、制备方法及其应用技术

技术编号:20917966 阅读:67 留言:0更新日期:2019-04-20 09:59
本发明专利技术涉及催化剂的制备技术领域,具体公开了一种CuS掺杂纳米TiO2光催化剂、制备方法及其应用。本发明专利技术提供的CuS掺杂纳米TiO2光催化剂的制备方法,采用TiO2包覆CuS纳米棒得到TiO2/CuS结合牢固的光催化剂,避免了传统CuS负载型TiO2光催化剂使用过程中易发生CuS流失导致催化剂活性下降以及污染环境的弊端;同时,本发明专利技术的催化剂对太阳能利用率高且对废水中Cr(Ⅵ)具有良好去除率。

A CuS-doped nano-titanium dioxide photocatalyst, its preparation method and Application

The invention relates to the technical field of preparation of catalysts, in particular to a CuS doped nano-titanium dioxide photocatalyst, a preparation method and its application. The preparation method of CuS-doped nano-titanium dioxide photocatalyst provided by the invention adopts titanium dioxide coated CuS nanorods to obtain a solid photocatalyst with titanium dioxide/CuS bonding, which avoids the drawbacks of the traditional CuS-supported titanium dioxide photocatalyst that is prone to the loss of CuS in the use process, resulting in the decrease of catalyst activity and environmental pollution; at the same time, the catalyst of the invention has high utilization rate of solar energy and high Cr(VI) in waste It has good removal rate.

【技术实现步骤摘要】
一种CuS掺杂纳米TiO2光催化剂、制备方法及其应用
本专利技术涉及催化剂的制备
,具体涉及一种CuS掺杂纳米TiO2光催化剂、制备方法及其应用。
技术介绍
随着工业化进程的不断深入,电镀、冶金、皮革、印染和颜料行业的迅速发展,环境中产生了大量的含铬废水。铬在水中通常以Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的形式存在,而六价铬离子难降解、高毒且具有致癌性,若直接排入水体,会对环境和人类健康产生严重危害。目前国内外处理含铬废水的主要方法有物理处理法、化学处理法和生物处理法等,然而,传统的处理方法难以达到令人满意的效果,而近年来发展的光催化技术具有工艺简单、能耗低、操作条件容易控制和使污染物降解彻底的特点,被认为是具有良好发展前景的环保新技术。光催化还原法处理含Cr(Ⅵ)废水,主要是利用半导体光催化剂对Cr(Ⅵ)的吸附性能,同时利用自然界存在的光能激发半导体光催化剂中的价带电子,并利用光生电子的强还原性,把Cr(Ⅵ)还原成Cr(Ⅲ)并生成氢氧化物沉淀的形式,从而达到去除废水中Cr(Ⅵ)的目的。目前,高性能的光催化材料主要有TiO2、ZnS以及CdS等,而纳米TiO2因其具有独特的表面效应、量子效应、尺寸效应及较高的化学稳定性、良好的紫外光催化活性等优点成为当前最有应用潜力的光催化材料之一。但单纯的纳米TiO2在处理含Cr(Ⅵ)废水时还存在如下问题:1.纳米TiO2催化剂对Cr(Ⅵ)的吸附能力不够强,导致光生电子的有效利用率不高,对Cr(Ⅵ)的去除率不高,难以处理溶度较高或量比较大的工业废水;2.TiO2是宽禁带光催化剂,锐钛矿相二氧化钛的禁带宽度为3.2eV,吸附阀值约为387nm,其只能被紫外光所激发,而紫外光只占太阳光能量的4%左右,因此,TiO2光催化反应的太阳能利用率比较低。为此,现有技术中公开了一种CuS修饰的固定化TiO2纳米带光催化剂的制备方法,该方法是先制备固定化TiO2纳米带,然后将所述TiO2纳米带置于硝酸铜和硫化钠混合液中进行连续离子层吸附,制得CuS负载的TiO2光化学催化剂。然而,CuS负载的TiO2光化学催化剂在使用过程中容易发生CuS流失,造成催化剂活性下降,同时流失的CuS还会造成环境污染。
技术实现思路
因此,本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中CuS修饰的纳米TiO2光化学催化剂中CuS易流失导致的缺陷,从而提供一种工艺简单的CuS掺杂纳米TiO2光催化剂的制备方法,该方法制得的光化学催化剂对废水中Cr(Ⅵ)去除率高,且CuS不易流失;同时,本专利技术提供了根据所述制备方法制得的CuS掺杂纳米TiO2光催化剂及其应用。为解决上述技术问题,本专利技术提供了一种CuS掺杂纳米TiO2光催化剂的制备方法,包括如下步骤:将CuS纳米棒充分分散于第一溶剂中,加入TiO2前驱体,混合均匀后将混合液在120~180℃下进行溶剂热反应8~12h,对所得产物进行冷却、过滤、洗涤和干燥,即得CuS掺杂纳米TiO2光催化剂。进一步地,所述CuS纳米棒与所述TiO2前驱体的物质的量比为(0.5~2.5):1。进一步地,所述TiO2前驱体为有机钛盐;所述第一溶剂为乙二醇、丙三醇、聚乙二醇中的至少一种。更进一步地,所述有机钛盐为钛酸四丁酯和/或四异丙醇钛。进一步地,所述CuS纳米棒的制备方法包括如下步骤:将铜源、硫源充分分散于第二溶剂中,并在100~150℃下进行溶剂热反应4~8h,对所得产物进行冷却、过滤、洗涤和干燥,即得所述CuS纳米棒。进一步地,所述铜源与所述硫源的物质的量的比为1:(1~4)。进一步地,所述铜源为可溶性铜盐;所述硫源为C2H5NS、CS(NH2)2、(CH3)2SO中的至少一种;所述第二溶剂为乙二醇、丙三醇、聚乙二醇中的至少一种。更进一步地,所述可溶性铜盐为CuCl2·2H2O、Cu(NO3)2·3H2O、CuSO4·5H2O、Cu(CH3COO)2·H2O中的至少一种。进一步地,所述制备方法还包括将所述CuS掺杂纳米TiO2光催化剂置于惰性气体环境中在350~450℃下煅烧0.8~1.2h的步骤。本专利技术还提供了根据上述制备方法得到的CuS掺杂纳米TiO2光催化剂,所述纳米TiO2包覆在所述CuS纳米棒的外围,包覆厚度为6~8nm。进一步地,所述催化剂为锐钛矿晶型,粒径为10~15nm,比表面积为15~22m2/g,平均孔径为17~20nm,带隙能为2.4~2.7eV。本专利技术还提供了根据上述制备方法得到的CuS掺杂纳米TiO2光催化剂或上述CuS掺杂纳米TiO2光催化剂在废水处理中的应用。本专利技术的技术方案,具有如下优点:1.本专利技术提供的CuS掺杂纳米TiO2光催化剂的制备方法,采用TiO2包覆CuS纳米棒得到TiO2/CuS结合牢固的光催化剂,避免了传统CuS负载型TiO2光催化剂使用过程中易发生CuS流失导致催化剂活性下降以及污染环境的弊端;在CuS纳米棒的溶液中加入TiO2前驱体,所述TiO2前驱体发生水解、缩合反应,从而避免TiO2无机纳米粒子直接加入造成的团聚而不能得到均一混合液的难题,进而改善了TiO2/CuS结合的均匀性,提高了光催化剂的性能;采用CuS纳米棒,相比较常规CuS,其具有较大的径向比,具有良好的电子传输能力、较高的表面能和较强的吸附能力,其与TiO2结合后,改变了TiO2表面的电位,使TiO2水溶液表面带负电荷,从而增强了TiO2对带正电荷的Cr(Ⅵ)的吸附,提高了光生电子的有效利用率;同时,将窄带隙(2.0eV)CuS与宽禁带(3.2eV)TiO2耦合后组成的复合体系不但能够吸收可见光,而且促进了光生电子-空穴的分离,有效提高了光催化效率,提高了对废水中Cr(Ⅵ)的去除率。2.本专利技术提供的CuS掺杂纳米TiO2光催化剂的制备方法,通过调控CuS纳米棒及TiO2前驱体的用量比以及溶剂热反应的温度、时间等来控制所述CuS掺杂纳米TiO2光催化剂的形貌及粒径、比表面积,从而制备出对废水中Cr(Ⅵ)具有良好去除率的光催化剂。3.本专利技术提供的CuS掺杂纳米TiO2光催化剂的制备方法,选用乙二醇、丙三醇或聚乙二醇为溶剂,所述溶剂无毒绿色环保而且成本低,且无需使用其他表面活性剂,就可以制备高稳定性能的CuS掺杂纳米TiO2光催化剂。4.本专利技术提供的CuS掺杂纳米TiO2光催化剂的制备方法,选用特定种类及比例的铜源及硫源,并通过调控溶剂热反应的温度、时间等来控制CuS纳米棒的形貌及粒径,从而得到具有良好电子传输能力、较高表面能和较强吸附能力的CuS纳米棒。5.本专利技术提供的CuS掺杂纳米TiO2光催化剂的制备方法,将所述CuS掺杂纳米TiO2光催化剂置于惰性气体环境中高温煅烧,提高了所述CuS掺杂纳米TiO2光催化剂的催化活性,进一步提升了其对废水中Cr(Ⅵ)的去除率。6.本专利技术提供的CuS掺杂纳米TiO2光催化剂,所述催化剂具有单晶锐钛矿晶型,有利于光生电荷的传输与分离,进而提高其光催化降解效率;同时,所述催化剂具有较大的比表面积,增大了其与废水的接触面积,进一步提高了其光催化降解效率。7.本专利技术提供的CuS掺杂纳米TiO2光催化剂在废水处理中的应用,所述催化剂对Cr(Ⅵ)具有良好地吸附,提高了光生电子的有效利用率;同时,所述催化剂不但能够吸收可见光,而且TiO2与Cu本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种CuS掺杂纳米TiO2光催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:将CuS纳米棒充分分散于第一溶剂中,加入TiO2前驱体,混合均匀后将混合液在120~180℃下进行溶剂热反应8~12h,对所得产物进行冷却、过滤、洗涤和干燥,即得CuS掺杂纳米TiO2光催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种CuS掺杂纳米TiO2光催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:将CuS纳米棒充分分散于第一溶剂中,加入TiO2前驱体,混合均匀后将混合液在120~180℃下进行溶剂热反应8~12h,对所得产物进行冷却、过滤、洗涤和干燥,即得CuS掺杂纳米TiO2光催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述CuS纳米棒与所述TiO2前驱体的物质的量比为(0.5~2.5):1。3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述TiO2前驱体为有机钛盐;所述第一溶剂为乙二醇、丙三醇、聚乙二醇中的至少一种。4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述有机钛盐为钛酸四丁酯和/或四异丙醇钛。5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法,其特征在于,所述CuS纳米棒的制备方法包括如下步骤:将铜源、硫源充分分散于第二溶剂中,并在100~150℃下进行溶剂热反应4~8h,对所得产物进行冷却、过滤、洗涤和干燥,即得所述CuS纳米棒。6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述铜源与所述硫源的物质的量的比为1:(1~4)。7.根据权利要求4或5所述的制备方法,其特征在于,所述铜源...

【专利技术属性】
技术研发人员:余长林周晚琴李德豪杨凯
申请(专利权)人:广东石油化工学院
类型:发明
国别省市:广东,44

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