本发明专利技术公开一种掺铈的二氧化钛/炭复合气凝胶材料及制备方法和应用，所述掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料由未形成晶体的铈、无定型炭和锐钛矿型二氧化钛组成，按质量比计算，其中无定型炭：锐钛矿型二氧化钛：未形成晶体的铈为1：0.3：0.001-0.005。其制备方法，即以四氯化钛为前驱体，硝酸铈为掺杂剂，无水乙醇为溶剂，间苯二酚和糠醛为有机相的前驱物，环氧丙烷为网络凝胶的诱导剂，乙酰乙酸乙酯为络合剂，通过一步溶胶-凝胶法制得的具有介孔结构的掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料，该掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料用于可见光或紫外光催化降解有机染料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及。
技术介绍
气凝胶通常是指以纳米颗粒相互聚集构成的纳米多孔网络为骨架，并在网络骨架孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。纳米材料是上世纪80年代兴起的一种新型材料，其优异的性能引起了世界各国的热切关注，甚至认为会改变我们的生活。纳米尺度指的是1-1OOnm这个范围，物质在这个尺度下将表现出不同于宏观物质与微观粒子的效应，如:表面效应、量子效应、小尺寸效应、介电限域效应和宏观量子隧道效应。这些效应使得纳米材料在化学、光学、电学、热学和力学等方面具备了许多特殊的性质。目前纳米材料已在陶瓷材料、冶金、超导材料、化工、航空航天、医药和生物工程等领域得到了广泛的应用。气凝胶作为一种纳米材料，除具有一般意义的纳米材料的特性外，还具有一系列优异的性质，如:极高的孔隙率、高比表面积、极低的密度、低的热导率和低的声音传播速率等，在催化、航天、医药、能源、建筑和冶金等方面有着巨大的应用前景。气凝胶有很多种类，大致可以分为有机气凝胶、无机气凝胶和有机/无机杂化气凝胶。利用溶胶-凝胶法制备的有机/无机杂化材料在陶瓷、高分子化学、无机和有机化学领域吸引了众多研究工作者的兴趣。杂化或复合不仅仅是将材料的某些性质简单加和，更重要的是可能会出现相互协同效应而表现出更好的优良性能。如1985年Wilkes等用溶胶-凝胶法将聚二甲硅氧烷的聚合物/低聚物与硅玻璃杂化，制备出了透明的纳米杂化材料，这种材料拥有别的材料所不具备的独特性质。但对于有机/无机杂化气凝胶的研究则比较少，其中对Si02/C 杂化气凝胶研究的最多。由于有机/无机杂化气凝胶兼具了有机和无机气凝胶的特点，更能克服单一气凝胶在制备过程中的某些缺点，也成为了近年来研究的热门课题。二氧化钛气凝胶由于其耐热性优于二氧化硅气凝胶，而且催化活性也很高，因此引起了许多研究学者的关注。炭气凝胶的可导电性也使得其在许多方面显示出了优良的应用特性。现有技术中的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料对可见光具有很好的响应，但其中的锐钦矿结构的二氧化钦在闻温下容易引起相变。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是为了解决现有技术中的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料中锐钛矿结构的二氧化钛在高温下容易引起相变的技术问题而提供一种掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料。本专利技术的目的之二是为了提供上述的一种掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料的制备方法。本专利技术的技术原理 将稀土元素铈、二氧化钛和炭杂化得到的掺铈二氧化钛/炭杂化气凝胶兼优异的孔结构分布的优点之外，还能够表现出更好的光催化降解有机染料及电吸附脱附去氟离子等性倉泛。由于纳米二氧化钛作为催化剂用于光催化降解有机染料已得到十分广泛的应用，而炭材料则因其多孔结构而对有机染料大分子有较强的吸附功能，稀土元素的掺杂能够抑制锐钛矿结构的二氧化钛在高温下的相变，提高相同条件下二氧化钛纳米颗粒的催化活性。因此掺杂稀土元素的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料将会在光催化降解有机染料等方面表现出优于二氧化钛/炭杂化气凝胶的光催化性能。本专利技术的技术方案 一种掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料，按质量比计算，其中无定型:锐钛矿型二氧化钛:未形成晶体的铈为1:0.3:0.001-0.005。优选为1:0.3:0.003-0.004。上述的一种掺铈二氧化钛/炭杂化气凝胶材料，即以四氯化钛为前驱体，硝酸铈为掺杂剂，无水乙醇为溶剂，间苯二酚和糠醛为有机相的前驱物，环氧丙烷为网络凝胶的诱导剂，乙酰乙酸乙酯为络合剂，通过一步溶胶-凝胶法制得的具有介孔结构的由未形成晶体的铈、无定型炭和锐钛矿型二氧化钛组成的掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料。上述的一种掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料的制备方法，具体包括如下步骤: (1)、溶胶的制备 将四氯化钛溶液滴入由无水乙醇和乙酰乙酸乙酯组成的混合溶液中，在冰浴状态下控制滴加速率为0.5-lml/s滴加环氧丙烷，然后加入掺杂剂硝酸铈，充分溶解后得溶液A ; 将间苯二酚加入搅拌中的由无水乙醇和糠醛组成的混合溶液中，搅拌，充分溶解后得溶液B ; 在冰浴状态和搅拌下将溶液B控制滴加速率为0.5-lml/s加入到溶液A中，继续搅拌后得到溶胶； 上述的溶胶中所用的硝酸铈占无水乙醇、间苯二酚、糠醛、环氧丙烷和乙酰乙酸乙酯的总质量分数的0.04-0.16% ； 所用的四氯化钛占无水乙醇、间苯二酚、糠醛、环氧丙烷和乙酰乙酸乙酯的总质量分数的 9.02% ； 所用的环氧丙烷的量按四氯化钛与环氧丙烷的摩尔比，即四氯化钛:环氧丙烷为6:1 ；所用的糠醛和间苯二酚的质量占无水乙醇、间苯二酚、糠醛、环氧丙烷和乙酰乙酸乙酯的总质量百分比为10%，且糠醛与间苯二酚的摩尔比，即糠醛:间苯二酚为2:1 ； 所用的乙酰乙酸乙酯的量按四氯化钛与乙酰乙酸乙酯的摩尔比计算，即乙酰乙酸乙酷:四氣化钦为0.6:1 ； (2)、溶胶的老化 将步骤(I)所得的溶胶放入70°C的恒温水浴锅中，进行5?7天的老化得到凝胶； (3)、溶剂交换 用环氧丙烷浸泡步骤(2)老化后的凝胶，置换出其中的水和氯离子后，得到掺铈二氧化钛/有机杂化湿凝胶； 所用的环氧丙烷的量为充满容器中步骤(2)老化后的凝胶介质的剩余空间，共置换5-10 天; (4)、超临界干燥 对步骤(3)所得到的掺铈二氧化钛/有机杂化湿凝胶在高压釜中进行超临界干燥得到掺铈二氧化钛/有机杂化气凝胶； 上述超临界干燥所用的干燥介质为正己烷，掺铈二氧化钛/有机杂化气凝胶在干燥介质临界压力下保持lh，达到临界温度后继续保持lh，再进行泄压，泄压速度控制在将釜内压力从临界压力下降为零所需时间为l_2h; (5)、炭化 对步骤(4)所得的掺铈二氧化钛/有机杂化气凝胶在炭化炉中控制升温速率为为2V /min，使炭化炉中温度从室温升至800°C并在氮气氛围保护下保持3h，最终得到一种比表面积为 100-350m2/g，孔径分布为 l_35nm 之间，孔容为 0.01-0.06cm3/g，密度为 250_280kg/m3的掺铈二氧化钛/炭杂化气凝胶材料。上述所得的一种掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料可用于可见光或紫外光下催化降解有机染料亚甲基蓝等。本专利技术的有益效果 本专利技术的一种掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料，由未形成晶体的铈、无定型炭和锐钛矿型二氧化钛组成，其结构为典型的介孔材料，比表面积为100-350m2/g，孔径为l-35nm，孔容为0.01-0.06cm3/g。由于掺杂了稀土元素铈，解决了锐钛矿结构的二氧化钛在高温下容易引起相变的这一技术问题，使其光催化降解有机染料的效果有了很大提高。进一步，本专利技术的一种掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料，在光催化降解有机染料等方面表现出优于单一纳米二氧化钛/炭杂化气凝胶材料的光催化性能。另外，本专利技术的一种掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料，由于是利用一步溶胶-凝胶法制备出了掺铈二氧化钛/炭杂化气凝胶材料，因此具有制备过程简单特点。且由于采用的前驱物是廉价的四氯化钛，因此还具有生产成本低的特点。【附图说明】图1、实施例1所得的一种掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料的X射线衍射图； 图2、实施例1所得的一种掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料的TEM图； 图3、实施例1所得的掺铈的二氧化本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种掺铈的二氧化钛/炭复合气凝胶材料，其特征在于所述的掺铈的二氧化钛/炭复合气凝胶材料由未形成晶体的铈、无定型炭和锐钛矿型二氧化钛组成，按质量比计算，其中无定型炭：锐钛矿型二氧化钛：未形成晶体的铈为1：0.3：0.001‑0.005。
【技术特征摘要】
1.一种掺铈的二氧化钛/炭复合气凝胶材料，其特征在于所述的掺铈的二氧化钛/炭复合气凝胶材料由未形成晶体的铈、无定型炭和锐钛矿型二氧化钛组成，按质量比计算，其中无定型炭:锐钛矿型二氧化钛:未形成晶体的铈为1:0.3:0.001-0.005。2.如权利要求1所述的掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料，其特征在于按质量比计算，其中无定型炭:锐钛矿型二氧化钛:未形成晶体的铈为1:0.3:0.003-0.004。3.如权利要求1或2所述的掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料，其特征在于所述的掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料的比表面积为100-350m2/g，孔径为l-35nm，孔容为0.01-0.06cm3/g，密度为 250-280kg/m3。4. 如权利要求1或2所述的掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料的制备方法，其特征在于以四氯化钛为前驱体，硝酸铈为掺杂剂，无水乙醇为溶剂，间苯二酚和糠醛为有机相的前驱物，环氧丙烷为网络凝胶的诱导剂，乙酰乙酸乙酯为络合剂，通过一步溶胶-凝胶法制得的具有介孔结构的掺铈的二氧化钛/炭杂化气凝胶材料，具体包括如下步骤: (1)、溶胶的制备 将四氯化钛溶液滴入由无水乙醇和乙酰乙酸乙酯组成的混合溶液中，在冰浴状态下控制滴加速率为0.5-lml/s滴加环氧丙烷，然后加入掺杂剂硝酸铈，充分溶解后得溶液A ; 将间苯二酚加入搅拌中的由无水乙醇和糠醛组成的混合溶液中，搅拌，充分溶解后得溶液B ; 在冰浴状态和搅拌下将溶液B控制滴加速率为0.5-lml/s加入到溶液A中，继续搅拌15min后得到溶胶； 上述的溶胶中所用的硝酸铈占无水乙醇、间苯二酚、糠醛、环氧丙烷和乙酰乙酸乙酯的总质量分数的0.04-0.16% ； 所用的四氯化钛占无水乙醇、间苯二酚、糠醛、环氧丙...
【专利技术属性】
技术研发人员：邵霞，朱琳琳，张睿，蔡伟萍，张世敏，张华峰，
申请(专利权)人：上海应用技术学院，
类型：发明
国别省市：上海;31
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