一种二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂的制备方法，所述方法将二氧化钛负载于聚合物纤维上，得到二氧化钛/聚合物纤维复合材料；将得到的二氧化钛/聚合物纤维复合材料在保护气体下碳化，得到二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂。所述制备方法无需预处理和活化过程，简单高效、成本低廉、绿色环保，所述制备方法制备的到的催化剂比表面积大，吸附能力强，光催化效率高，在空气净化、水净化、有机物吸附及光催化等领域具有广阔的应用前景。

Titanium dioxide based activated carbon fiber composite catalyst, preparation method and application thereof

The invention relates to a preparation method of a titanium dioxide based activated carbon fiber composite catalyst, the method of TiO2 supported on polymer fibers, the titanium dioxide / polymer composites; the obtained TiO2 / polymer fiber composite materials in the protection of gas under carbonization, the titanium dioxide based activated carbon fiber composite catalyst. The preparation method without pretreatment and activation process, simple and efficient, low cost, green environmental protection, the catalyst to the preparing method of the large surface area, strong adsorption capacity, high photocatalytic efficiency, and has broad application prospects in air purification, water purification, adsorption of organic matter and light catalysis.

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂及其制备方法和用途
本专利技术属于材料领域，具体涉及可用于废气和废水处理的吸附和光催化材料，尤其涉及一种二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂、其制备方法及用途。
技术介绍
随着经济的快速发展，工业废水废气大量排放，其中过量的重金属和有机物造成环境的严重破坏。此外，清洁水源日益短缺，地下水和地表水均受到不同程度的污染，水的净化去除重金属、有机物质以及其它微污染也势在必行。目前常用的重金属废水处理技术有化学沉淀法、离子交换法、膜分离法、吸附法和生物法等，而有机废水的处理方法主要通过高级氧化法将水体中的有机污染物进行矿化分解成无机小分子。吸附法由于操作简便、吸附效果好、无二次污染等优点而倍受关注。而吸附技术中最重要的是吸附剂的选择，纳米材料由于其本身的优良物理化学性质，成为吸附过程中最常用的吸附剂之一；高级氧化技术中的光催化氧化技术由于其高效性而受到广泛关注。常用的光催化剂为半导体材料，在各种半导体光催化剂中，二氧化钛作为一种典型的N型半导体，因其无毒、廉价、性能稳定、光催化性能高、对污染物中的有机物降解无选择性等优点，成为具有广阔应用前景的光催化剂。纳米材料在实际水处理过程中易团聚导致其活性降低，并且在固定床应用中易流失，给分离和回收利用带来困难，同时对生态环境和人类健康造成一定的危害。因此通过某种较强的作用力将纳米颗粒固定到某种基材上，可以使问题得到解决。然而，该方面的公开专利较少。目前现有的材料，较难同时实现吸附重金属及有机污染物，并将其氧化还原降解。因此，基于以上问题，我们通过选择天然高分子材料作为基底，将纳米二氧化钛负载在基底表面形成二氧化钛聚合物复合材料，并进一步将制备的二氧化钛聚合物复合材料进行碳化处理制备二氧化钛基多孔碳纤维。该碳化过程无需采用有机试剂等极性活化处理，仅通过碳化便能实现多孔活性碳纤维结构，该方法可以实现降低能耗、绿色环保的目的。同时这样的复合材料不仅改善了纳米颗粒在实际应用过程中存在的流失、团聚等问题，而且同时实现了吸附重金属及有机物，并进行光催化降解的目的，对解决水污染具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供一种二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂的制备方法，所述制备方法无需预处理和活化过程，简单高效、成本低廉、绿色环保，所述制备方法制备的到的催化剂比表面积大，吸附能力强，光催化效率高，在空气净化、水净化、有机物吸附及光催化等领域具有广阔的应用前景。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术目的之一在于提供一种二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)将二氧化钛负载于聚合物纤维上，得到二氧化钛/聚合物纤维复合材料；(2)将步骤(1)得到的二氧化钛/聚合物纤维复合材料在保护气体下碳化，得到二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述的聚合物纤维包括纤维素纤维、壳聚糖纤维、聚丙烯纤维或聚酯纤维中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：纤维素纤维和壳聚糖纤维的组合、壳聚糖纤维和聚丙烯纤维的组合、聚丙烯纤维和聚酯纤维的组合、聚酯纤维和纤维素纤维的组合或纤维素纤维、壳聚糖纤维和聚丙烯纤维的组合等。优选地，步骤(1)所述二氧化钛/聚合物纤维复合材料中二氧化钛的质量分数为1～30wt％，聚合物纤维的质量分数为70～99wt％。其中二氧化钛的质量分数可以是1wt％、2wt％、5wt％、8wt％、10wt％、12wt％、15wt％、18wt％、20wt％、22wt％、25wt％、28wt％或30wt％等；聚合物纤维的质量分数可以是70wt％、72wt％、78wt％、80wt％、82wt％、85wt％、88wt％、90wt％、92wt％、95wt％、98wt％或99wt％等，但并不仅限于所列举的数值，上述各数值范围内其他未列举的数值同样适用。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述将二氧化钛负载于聚合物纤维上的方法包括以下步骤：(a)将聚合物纤维分散于溶剂中，调节pH，得到聚合物纤维分散液；(b)向步骤(a)得到的聚合物纤维分散液中加入二氧化钛前驱体溶液，得到混合液；(c)将步骤(b)得到的混合液加热反应，得到二氧化钛/聚合物纤维复合材料。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(a)所述pH≤5，如0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5或5等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，步骤(a)所述溶剂为水和/或低分子醇类溶剂。优选地，所述低分子醇类溶剂包括甲醇、乙醇或丙醇中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：甲醇和乙醇的组合、乙醇和丙醇的组合、丙醇和甲醇的组合或甲醇、乙醇和丙醇的组合等。优选地，步骤(a)所述分散液中溶剂与聚合物纤维的质量比为(80～200):1，如80:1、90:1、100:1、120:1、150:1、180:1或200:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。该体系中二氧化钛前驱体与溶剂质量比对产物中二氧化钛形貌及晶型有较大影响，当二氧化钛前驱体与溶剂质量比太大，得到的二氧化钛/聚合物纤维复合材料的比较面积较小，当二氧化钛前驱体与溶剂质量比太小，得到的二氧化钛/聚合物纤维中二氧化钛含量较小，未能完全覆盖聚合物纤维表面，因此，选择合适的范围非常重要。优选地，步骤(b)所述二氧化钛前驱体包括钛酸正丁酯、异丙醇钛、硫酸钛、硫酸氧钛或四氯化钛中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：钛酸正丁酯和异丙醇钛的组合、异丙醇钛和硫酸钛的组合、硫酸钛和硫酸氧钛的组合、硫酸氧钛和四氯化钛的组合或钛酸正丁酯、异丙醇钛和硫酸钛的组合等。优选地，步骤(b)所述二氧化钛前驱体溶液中二氧化钛前驱体的质量浓度为1.0～2.0g/mL，如1.0g/mL、1.1g/mL、1.2g/mL、1.3g/mL、1.4g/mL、1.5g/mL、1.6g/mL、1.7g/mL、1.8g/mL、1.9g/mL或2.0g/mL，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，步骤(b)所述二氧化钛与所述聚合物纤维的质量比为(0.2～2):1，如0.2:1、0.5:1、0.8:1、1:1、1.2:1、1.5:1、1.8:1或2:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，步骤(c)所述加热的方式为对流加热和/或微波辐射加热。优选地，所述微波辐射加热的功率为150～800W，如150W、200W、250W、300W、400W、500W、600W、700W或800W等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。加热方式对形成二氧化钛/聚合物纤维的形貌影响较大，微波辐射加热的微波辐射功率对产品中二氧化钛的晶型影响较大，合理的加热方式将极大提高复合材料的产量和性能。优选地，步骤(c)所述加热反应的温度为60～150℃，如60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，步骤(c)所述加热反应的时间为2～60本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将二氧化钛负载于聚合物纤维上，得到二氧化钛/聚合物纤维复合材料；(2)将步骤(1)得到的二氧化钛/聚合物纤维复合材料在保护气体下碳化，得到二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将二氧化钛负载于聚合物纤维上，得到二氧化钛/聚合物纤维复合材料；(2)将步骤(1)得到的二氧化钛/聚合物纤维复合材料在保护气体下碳化，得到二氧化钛基活性炭纤维复合催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的聚合物纤维包括纤维素纤维、壳聚糖纤维、聚丙烯纤维或聚酯纤维中任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(1)所述二氧化钛/聚合物纤维复合材料中二氧化钛的质量分数为1～30％，聚合物纤维的质量分数为70～99％。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述将二氧化钛负载于聚合物纤维上的方法包括以下步骤：(a)将聚合物纤维分散于溶剂中，调节pH，得到聚合物纤维分散液；(b)向步骤(a)得到的聚合物纤维分散液中加入二氧化钛前驱体溶液，得到混合液；(c)将步骤(b)得到的混合液加热反应，得到二氧化钛/聚合物纤维复合材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(a)所述pH≤5；优选地，步骤(a)所述溶剂为水和/或低分子醇类溶剂；优选地，所述低分子醇类溶剂包括甲醇、乙醇或丙醇中任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(a)所述分散液中溶剂与聚合物纤维的质量比为(80～200):1；优选地，步骤(b)所述二氧化钛前驱体包括钛酸正丁酯、异丙醇钛、硫酸钛、硫酸氧钛或四氯化钛中任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(b)所述二氧化钛前驱体溶液中二氧化钛前驱体的质量浓度为1.0～2.0g/mL；优选地，步骤(b)所述二氧化钛与所述聚合物纤维的质量比为(0.2～2):1；优选地，步骤(c)所述加热的方式为对流加热和/或微波辐射加热；优选地，所述微波辐射加热的功率为150～800W；优选地，步骤(c)所述加热反应的温度为60～150℃；优选地，步骤(c)所述加热反应的时间为2～600min，进一步优选为5～300min；优选地，步骤(c)所述加热反应后对产物进行纯化，所述纯化的方法为洗涤、抽滤和干燥；优选地，所述干燥包括自然干燥、鼓风干燥、真空干燥或加热干燥中任意一种或至少两种的组合。5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述将二氧化钛负载于聚合物纤维上的方法包括以下步骤：(a′)将二氧化钛前驱体制备成二氧化钛溶胶，将聚合物纤维浸渍在二氧化钛溶胶中，得到预先涂覆二氧化钛的聚合物复合材料；(b′)将步骤(a′)得到的预先涂覆...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨传芳，张锦菊，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11