一种三维多孔二氧化钛泡沫块体及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种三维多孔二氧化钛泡沫块体及其制备方法，包括：将质子化相层状碱金属钛酸盐置于含有小分子有机胺的溶液中，经搅拌后得到氧化钛纳米片剥离液；将所得氧化钛纳米片剥离液经过冷冻干燥，得到所述三维多孔二氧化钛泡沫块体。本发明专利技术的三维多孔二氧化钛泡沫孔径分布均匀，孔体积较大，具有十分优异的亲水性能和一定的机械强度，是金属离子吸附的合适材料，可应用于污水净化领域。

【技术实现步骤摘要】
一种三维多孔二氧化钛泡沫块体及其制备方法
本专利技术涉及一种三维多孔二氧化钛泡沫块体及其制备方法和应用，具体涉及一种由氧化钛纳米片胶体制备三维多孔二氧化钛泡沫块体的方法。
技术介绍
水是生命之源，为人类生活、生物生长和农业生产所必需。然而，现代工业和其它产业的发展，城市人口的增长使环境污染越来越严重，使得目前为数不多的水源遭到了大量的污染。重金属废水主要来自采矿、有色金属、电镀、电解、农药、医药、油漆、颜料等工业，主要含有镉、铬、汞、锌、铜等重金属，其种类、含量及存在形态随产生条件而异。重金属进入环境后不能被生物降解，通过食物链循环，并最终在生物体内积累，破坏生物体的正常生理代谢活动，进而危害人体健康。国内外常用的重金属废水治理方法有物理法、化学法、物理化学法、电化学法和生物法等。物理吸附法操作简单、见效快、二次污染小，是21世纪最有研究价值的处理方法之一。但是，常用的材料如活性炭，石墨烯等，吸附性能较差，吸附速率慢，并且难以回收再利用。因此，设计和开发新材料和新工艺以应对日益严重的水污染问题具有十分重大的意义。近年来，有关无机层状化合物剥离分层制备二维单分子层纳米片(nanosheets)的研究越来越受到研究者的青睐。由层状化合物剥离生成的二维纳米片，其结构、组成与母体层状化合物板层相一致。纳米片厚度在分子尺度(1nm左右)，横向尺寸在亚微米至数微米间，表现出极端的二维各向异性。此外，剥离所得纳米片表面通常带有电荷，因此可作为基本单元用来构筑多功能复合薄膜和其它纳米复合材料。由于这些优异的物理化学性质，二维单分子层纳米片材料在能源、环境、传感和计算机芯片等领域具有十分广泛的应用前景。特别地，由于其较好的亲水性能和较高的比表面积，这种材料在重金属离子吸附方面表现出优异的性能。但是，二维单分子层纳米片作为一种平面二维材料，片层之间十分容易堆叠，造成比表面积和孔体积大大减少，使得其直接用于吸附材料有许多困难。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术从从结构入手，构造适合的三维多孔二氧化钛泡沫块体，以及一种可以简单、快速制备三维多孔二氧化钛泡沫块体的制备方法。一方面，本专利技术提供了一种三维多孔二氧化钛泡沫块体的制备方法，包括：将质子化相层状碱金属钛酸盐置于含有小分子有机胺的溶液中，经搅拌后得到氧化钛纳米片剥离液；将所得氧化钛纳米片剥离液经过冷冻干燥，得到所述三维多孔二氧化钛泡沫块体。本专利技术先利用小分子有机胺对二氧化钛纳米片进行表面修饰得到氧化钛纳米片剥离液，其中高活性的氧化钛纳米片为相应的单分子片层结构。再利用冷冻干燥得到高吸附性能的二氧化钛泡沫块体。所述TiO2泡沫具有的三维互通网络的大孔结构。这种网络互通结构有着极大的比表面和互相连接的孔洞，壁墙是由再堆垛的氧化钛纳米片构成。所用剥离液的较高浓度使得纳米片之间更容易接触，在冷冻干燥的过程中，随着水的移除，氧化钛纳米片发生堆叠和自组装，形成互通连续网络结构。而这种结构由于多种相互作用力得到加强，如官能团(小分子有机胺上的氨基，水分子和氧化钛纳米片的含氧基团等)之间的范德华力和氢键作用力。较佳地，所述冷冻干燥包括：温度：－50℃～－78℃；真空：0.5～12Pa；时间：24h～72h。较佳地，将层状碱金属钛酸盐和浓度为0.5-2M的酸溶液按照1～40g/L的液固比混合并搅拌1-5天，每2～12小时更换一次酸溶液，得到质子化相层状碱金属钛酸盐。又，较佳地，所述酸溶液选自可选自盐酸、硫酸和硝酸中的至少一种。又，较佳地，选用高温固相法、水热结晶法、溶胶凝胶法中的至少一种制备层状碱金属钛酸盐。较佳地，所述含有小分子有机胺的溶液的浓度为0.1～10mmol/L，所述含有小分子有机胺的溶液和质子化相层状碱金属钛酸盐的固液比为1～20g/L。优选地，将浓度为0.2～4mmol/L的含有小分子有机胺的溶液和质子化相层状碱金属钛酸盐按照1～10g/L的固液比混合并搅拌7～14天，得到氧化钛纳米片剥离液。较佳地，所述小分子有机胺选自苯胺、甲胺、乙胺、丙胺和四丁基氢氧化铵中至少一种。较佳地，将所得氧化钛纳米片剥离液和琼脂、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、羧基壳聚糖中的至少一种添加剂混合后，再进行冷冻干燥，所述添加剂与质子化相层状碱金属钛酸盐的质量比为1：(20～200)。另一方面，本专利技术还提供了一种根据上述方法制备的三维多孔二氧化钛泡沫块体，所述三维多孔二氧化钛泡沫块体具有三维连通的大孔结构，大孔孔径为10～100μm。再一方面，本专利技术还提供了一种上述三维多孔二氧化钛泡沫块体在重金属离子吸附和光催降解有机污染物中的应用。本专利技术只需冷冻干燥系统即可实现三维多孔二氧化钛泡沫块体(三维多孔二氧化钛泡沫材料)的大规模制备。本专利技术的三维多孔二氧化钛泡沫孔径分布均匀，孔体积较大，具有十分优异的亲水性能和一定的机械强度，是金属离子吸附的合适材料，可应用于污水净化领域。附图说明图1示出本专利技术实施例1制备得到的氧化钛纳米片剥离液实物照片，且该剥离液具有丁达尔现象，说明剥离液为胶体；图2示出本专利技术实施例2制备得到的烘干之后三维多孔二氧化钛泡沫实物照片；图3示本专利技术实施例3制备得到的三维多孔二氧化钛泡沫扫描电镜照片，可以观察到其中为10μm至100μm大小的孔径结构；图4示出经本专利技术实施例1制备得到的三维多孔二氧化钛泡沫的高分辨透射电镜照片，从中可以看到层数大概为5层左右；图5示出经本专利技术实施例2制备得到的三维多孔二氧化钛泡沫的XRD图谱，出现了一系列新的低角度衍射峰，可能来源于冷干过程中重新堆垛的氧化钛纳米片之间插入了小分子有机胺和水分子，形成层间“廊道”(d010)结构；图6示出经本专利技术实施例1制备得到的三维多孔二氧化钛泡沫的接触角测试结果照片，三维多孔二氧化钛泡沫对水的接触角为0°；图7示出经本专利技术实施例1制备得到的三维多孔二氧化钛泡沫吸附各种金属离子的实物照片，其中为泡沫挤压吸收液体后完全恢复到初始形状；图8示出经本专利技术实施例1制备得到的三维多孔二氧化钛泡沫吸附各种金属离子的吸附动力曲线；图9示出光催化空气净化实验装置示意图。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术通过酸化，剥离碱金属钛酸盐，得到有机胺修饰的二氧化钛胶体，又通过简单的冷冻干燥法，得到高活性三维多孔二氧化钛泡沫块体。本专利技术中所述三维多孔二氧化钛泡沫，其微观形态为三维连通的大孔结构，大孔孔径在10μm～100μm之间。本专利技术利用可以简单、快速的方法制备三维多孔二氧化钛泡沫。这种三维多孔二氧化钛泡沫具有优异的亲水性、较大的孔体积和一定的机械强度，因而在油污吸附方面具有较好的应用。以下示例性地说明本专利技术提供的三维多孔二氧化钛泡沫的制备方法。制备层状碱金属钛酸盐。层状结构的碱金属钛酸盐(层状碱金属钛酸盐)可通过高温固相法、水热结晶法、溶胶凝胶法中的一种或几种的组合进行制备。其中层状碱金属钛酸盐粉体微观形态包括片、棒、带、管和不规则多边形中的一种或几种的组合。此外，层状碱金属钛酸盐中碱金属元素包括锂，钠，钾和铯中一种或几种的组合。所述层状结构的碱金属钛酸盐可为K2Ti4O9、CsxTi2-x/4□x/4O4(x＝0.7)(□代表Ti空位)、K0.8Ti1.73Li0.27O4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维多孔二氧化钛泡沫块体的制备方法，其特征在于，包括：将质子化相层状碱金属钛酸盐置于含有小分子有机胺的溶液中，经搅拌后得到氧化钛纳米片剥离液；将所得氧化钛纳米片剥离液经过冷冻干燥，得到所述三维多孔二氧化钛泡沫块体。

【技术特征摘要】
1.一种三维多孔二氧化钛泡沫块体的制备方法，其特征在于，包括：将质子化相层状碱金属钛酸盐置于含有小分子有机胺的溶液中，经搅拌后得到氧化钛纳米片剥离液；将所得氧化钛纳米片剥离液经过冷冻干燥，得到所述三维多孔二氧化钛泡沫块体。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥包括：温度：－50～－78℃；真空：0.5～12Pa；时间：24～72小时。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，将层状碱金属钛酸盐和浓度为0.5-2M的酸溶液按照1～40g/L的液固比混合并搅拌1～5天，每2～12小时更换一次酸溶液，得到质子化相层状碱金属钛酸盐。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述酸溶液选自为盐酸、硫酸和硝酸中的至少一种。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，选用高温固相法、水热结晶法、溶胶凝胶法中的至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄富强，赵雯丽，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31