一种仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的制备方法，属于功能纳米复合材料技术领域。本发明专利技术以碳布作为基底材料，为太阳能蒸汽的离散提供良好的扩散通道；仿蛾眼纳米结构的二氧化钛纳米复合材料通过还原剂的还原反应，在碳布表面引入氧空位和表面无序结构，不仅提高了复合材料在全光谱范围的吸光度，而且在光催化降解过程中减少了光生电子空穴对的复合；使得纳米复合材料具有出色的蒸汽转化效率和速率、优异的光催化降解性、全光谱光吸收、局部热生成能力、透气性和导电性及较大的比表面积。同时，本发明专利技术的制备方法，操作简便，成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及功能纳米复合材料
，尤其涉及一种仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料及其制备方法与应用。
技术介绍
21世纪，随着人口的快速增长，工业化的扩张和化石燃料的急速消耗，环境污染问题日益严峻，尤其是水污染问题。寻找高效、节能的净水方法迫在眉睫。太阳能作为取之不尽，用之不竭的清洁能源受到了广泛关注，建立一种高效率，低成本，多功能的光驱动净水系统有利于解决上述净水短缺困扰。太阳能海水淡化利用光热转化从海水和工业废水中生成洁净水是解决净水短缺的一项有前景的技术。由于传统的太阳能海水淡化存在大量的热能损失，无法实现有效的净水生产。利用光热转化材料进行局部加热的太阳能蒸汽方法被认为是目前最有效的技术。同时光催化降解有机污染物也是一种有前景的净水技术。早期的光热蒸汽产生材料包括金、银等贵金属纳米流体及其宏观组装材料，但昂贵的价格和热作用下易团聚的本质及其组装材料脆弱的稳定性限制了它们的实际应用。常用的光催化材料二氧化钛由于光响应波长仅限于紫外光和高度复合的光生电子空穴对限制了其光催化降解性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料及其制备方法与应用。本专利技术提供的纳米复合材料具有优异的蒸汽转化效率和速率、光催化降解性能和全光谱光吸收性能。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳布浸入浓硝酸中进行预处理，得到预处理碳布；(2)将所述步骤(1)得到的预处理碳布浸入钛源溶液进行吸附反应，得到吸附钛碳布；(3)将所述步骤(2)得到的吸附钛碳布进行退火处理，得到二氧化钛种子层碳布；(4)将所述步骤(3)得到的二氧化钛种子层碳布浸入混合生长溶液中，进行水热反应，得到仿蛾眼纳米结构的二氧化钛纳米复合材料；(5)在惰性气体的条件下，将所述步骤(4)得到的仿蛾眼纳米结构的二氧化钛纳米复合材料与还原剂混合进行氧化还原反应，得到所述仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料；所述步骤(4)中混合生长溶液由钛酸四丁酯、去离子水和浓盐酸按照体积比1～3：15～30：15～30混合制成。优选地，所述步骤(2)中钛源溶液的浓度为0.05～0.2mol/L。优选地，所述碳布、浓硝酸、钛源溶液和混合生长溶液的用量比为0.10～0.60g：40～120mL：50～130mL：31～93mL。优选地，所述步骤(3)中退火处理的温度为320～380℃，时间为10～30min。优选地，所述步骤(4)中水热反应的温度为150～170℃，时间为15～20h。优选地，所述步骤(4)中仿蛾眼纳米结构的二氧化钛纳米复合材料与还原剂的质量比为1～3：2～5。优选地，所述步骤(4)中氧化还原反应的温度为530～580℃，时间为4～6h。优选地，重复步骤(2)3～5次。本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法得到的仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料，所述仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的比表面积为80.72～92.31m2/g，蒸汽转化效率为89～96％，蒸汽转化速率为1.37～1.573kg·m-2·h-1，在光照的条件下，100min内可以催化降解96％的有机污染物。本专利技术还提供了上述技术方案所述仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料在太阳能蒸汽化和光催化降解领域中的应用。本专利技术提供了一种仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳布浸入浓硝酸中进行预处理，得到预处理碳布；(2)将得到的预处理碳布浸入钛源溶液进行吸附反应，得到吸附钛碳布；重复步骤(2)3～5次；(3)将得到的吸附钛碳布进行退火处理，得到二氧化钛种子层碳布；(4)将得到的二氧化钛种子层碳布浸入混合生长溶液中，进行水热反应，得到仿蛾眼纳米结构的二氧化钛纳米复合材料；(5)在惰性气体的条件下，将得到的仿蛾眼纳米结构的二氧化钛纳米复合材料与还原剂混合进行氧化还原反应，得到所述仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料；所述步骤(4)中混合生长溶液由钛酸四丁酯、去离子水和浓盐酸按照体积比1～3：15～30：15～30混合制成。本专利技术以碳布作为基底材料，为太阳能蒸汽的离散提供良好的扩散通道；仿蛾眼纳米结构的二氧化钛纳米复合材料通过还原剂的还原反应，在碳布表面引入氧空位和表面无序结构，不仅提高了仿蛾眼纳米结构的二氧化钛黑色纳米复合材料在全光谱范围的吸光度，而且在光催化降解过程中减少了光生电子空穴对的复合；使得仿蛾眼纳米结构的二氧化钛黑色纳米复合材料具有出色的蒸汽转化效率和速率、优异的光催化降解性、全光谱光吸收、局部热生成能力、透气性和导电性及较大的比表面积。同时，本专利技术的制备方法，操作简便，成本低。从实施例可以看出：所述仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的比表面积为80.72～92.31m2/g，蒸汽转化效率为89～96％，蒸汽转化速率为1.37～1.573kg·m-2·h-1，在光照的条件下，100min内可以催化降解96％的有机污染物。附图说明图1为实施例1中制备得到的仿蛾眼纳米结构的二氧化钛纳米复合材料的实物照片及不同倍率下的扫面电镜图片；图2为实施例1制备得到的仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的实物照片、扫描电镜照片和透射电镜照片；图3为实施例1及与实施例1制备方法相似，区别仅在于氧化还原温度不同的制备方法得到的系列仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的X射线衍射图；图4为实施例1及与实施例1制备方法相似，区别仅在于氧化还原温度不同的制备方法得到的系列仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的光吸收谱图；图5为实施例1制备得到的仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的高分辨率透射电镜照片；图6为实施例1制备得到的仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的电子顺磁共振图；图7为实施例1制得的仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的X射线光电子能谱分析图；图8为实施例1制得的仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的反射率图谱；图9为实施例1制得的仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的吸收率图谱；图10为实施例1制备得到的仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的蒸汽化性能循环测试图；图11为实施例1制备得到的仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的光催化降解性能循环测试图；图12为实施例1、对比例1、对比例2、对比例3和对比例4中材料的水的蒸汽质量损失效果图；图13为实施例1、对比例1、对比例2、对比例3和对比例4中材料的蒸汽化效率和速率效果图；图14为实施例3、对比例5、对比例6中材料对罗丹明B降解程度效果图。具体实施方式本专利技术提供了一种仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳布浸入浓硝酸中进行预处理，得到预处理碳布；(2)将所述步骤(2)得到的预处理碳布浸入钛源溶液进行吸附反应，得到吸附钛碳布；(3)将所述步骤(2)得到的吸附钛碳布进行退火处理，得到二氧化钛种子层碳布；(4)将所述步骤(3)得到的二氧化钛种子层碳布浸入混合生长溶液中，进行水热反应，得到仿蛾眼纳米结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳布浸入浓硝酸中进行预处理，得到预处理碳布；(2)将所述步骤(1)得到的预处理碳布浸入钛源溶液进行吸附反应，得到吸附钛碳布；(3)将所述步骤(2)得到的吸附钛碳布进行退火处理，得到二氧化钛种子层碳布；(4)将所述步骤(3)得到的二氧化钛种子层碳布浸入混合生长溶液中，进行水热反应，得到仿蛾眼纳米结构的二氧化钛纳米复合材料；(5)在惰性气体的条件下，将所述步骤(4)得到的仿蛾眼纳米结构的二氧化钛纳米复合材料与还原剂混合进行氧化还原反应，得到仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料；所述步骤(4)中混合生长溶液由钛酸四丁酯、去离子水和浓盐酸按照体积比1～3：15～30：15～30混合制成。

【技术特征摘要】
1.一种仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳布浸入浓硝酸中进行预处理，得到预处理碳布；(2)将所述步骤(1)得到的预处理碳布浸入钛源溶液进行吸附反应，得到吸附钛碳布；(3)将所述步骤(2)得到的吸附钛碳布进行退火处理，得到二氧化钛种子层碳布；(4)将所述步骤(3)得到的二氧化钛种子层碳布浸入混合生长溶液中，进行水热反应，得到仿蛾眼纳米结构的二氧化钛纳米复合材料；(5)在惰性气体的条件下，将所述步骤(4)得到的仿蛾眼纳米结构的二氧化钛纳米复合材料与还原剂混合进行氧化还原反应，得到仿蛾眼纳米结构的黑色二氧化钛纳米复合材料；所述步骤(4)中混合生长溶液由钛酸四丁酯、去离子水和浓盐酸按照体积比1～3：15～30：15～30混合制成。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中钛源溶液的浓度为0.05～0.2mol/L。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述碳布、浓硝酸、钛源溶液和混合生长溶液的用量比为0.10～0.60g：40～120mL：50～130mL：31～93mL。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王贤保，刘行航，陈海燕，钱静雯，梅涛，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42