一种具有光催化活性的氧化硅气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术属于光催化材料技术领域，具体为一种具有光催化活性氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)将石墨烯水溶液、有机硅源溶液和氨水混合后顺次进行水浴和陈化得到石墨烯/氧化硅溶胶；(2)将石墨烯/氧化硅溶胶微波辐射处理后得到氧化硅/石墨烯气凝胶粉末；(3)将氧化硅/石墨烯气凝胶粉末、水、无机盐无水乙醇溶液混合后得到氧化硅/石墨烯气凝胶‑氢氧化物胶体溶液，然后将其经过微波辐射后得到氧化硅/氧化物气凝胶光催化材料。该方法不仅有利于提高SiO

【技术实现步骤摘要】
一种具有光催化活性的氧化硅气凝胶的制备方法
本专利技术涉及光催化材料
，尤其涉及一种具有光催化活性的氧化硅气凝胶的制备方法。
技术介绍
SiO2气凝胶是一种无序的介孔材料，密度小、导热系数低、光学性能好和高比表面积大，表面含有丰富的Si-OH基团，表现出很好的吸附性能，是纳米催化剂的理想载体。在SiO2气凝胶中加入具有光催化活性的纳米催化剂(TiO2、ZnO)，能制备出兼具有气凝胶和光催化剂二者性质的复合体，既有SiO2的热稳定性和机械稳定性，又有光催化活性的复合催化剂，在保温隔热、建筑玻璃、吸附、催化等诸多领域有着广泛应用前景。然而，SiO2气凝胶自身不具有光催化氧化性能，且易碎、机械性能差及导电性能不好等缺点，限制了其在光催化领域的应用。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是，SiO2气凝胶存在易碎、机械性能差及导电性能不好等问题，开展石墨烯和氧化物催化剂复合改性SiO2气凝胶的研究，获得力学性能好、催化活性高的气凝胶催化材料。本专利技术的目的是提供一种具有高催化活性、稳定好的氧化硅/氧化物气凝胶催化材料的制备方法。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具有光催化活性的氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)将石墨烯水溶液、有机硅源溶液和氨水混合后顺次进行水浴和陈化得到石墨烯/氧化硅溶胶；(2)将步骤(1)所得石墨烯/氧化硅溶胶微波辐射处理后得到氧化硅/石墨烯气凝胶粉末；(3)将所述氧化硅/石墨烯气凝胶粉末、水、无机盐无水乙醇溶液混合后得到氧化硅/石墨烯气凝胶-氢氧化物胶体溶液；(4)将步骤(3)所得氧化硅/石墨烯气凝胶-氢氧化物胶体溶液经过微波辐射后得到氧化硅/氧化物气凝胶光催化材料。进一步的，步骤(1)中，所述有机硅源为正硅酸乙酯、正硅酸丁酯和正甲基硅烷的一种或几种。进一步的，所述有机硅源溶液是由有机硅源、无水乙醇、冰醋酸混合得到，其中有机硅源、无水乙醇和冰醋酸的体积比为5～6mL：20～30mL：0.1～0.5mL。进一步的，步骤(1)中，所述石墨烯水溶液的浓度为0.8～1.2g/L，石墨烯为氧化石墨烯或还原氧化石墨烯。进一步的，步骤(1)中，石墨烯水溶液、有机硅源溶液和氨水体积比为35～40：25～38：5～15，氨水的浓度为0.5～1.0mol/L。进一步的，步骤(1)中，水浴处理的温度为80～90℃，水浴处理的时间为2～4h；陈化的时间为12～24h。进一步的，步骤(2)中，微波辐射的功率为150～300W，微波辐射的时间为20～40min。进一步的，步骤(3)中，所述水和无机盐无水乙醇溶液的体积比为100～150mL：10～20mL；所述无机盐无水乙醇溶液为无机盐和无水乙醇的质量体积比为5～10g：10～20mL的混合溶液；所述无机盐为钛酸丁酯、乙酸锌、钛酸四异丙酯、硝酸锌和醋酸锌中的一种或几种。进一步的，步骤(4)中，微波辐射的功率为400～800W，微波辐射的时间为20～40min。本专利技术的有益效果：1.技术构思：首先使用石墨烯和氧化物催化剂改性氧化硅气凝胶，将石墨烯镶嵌在氧化硅气凝胶中，获得力学性能和导电性能好的石墨烯/氧化硅气凝胶粉体，然后通过微波辐射法实现氧化硅/石墨烯气凝胶粉体均匀负载纳米氧化物，最终制备出催化活性高、结构稳定的氧化硅/氧化物气凝胶催化材料。石墨烯拥有大的比表面积，超强的机械性能，以及良好的导电性能，利用其改性有利于提高氧化硅气凝胶的机械强度和导电性；氧化硅气凝胶具有比表面积大、光学性能好、耐腐蚀能力强，用其负载能提高纳米催化剂的分散和催化稳定性，且导电性好的气凝胶能捕获和传导光激发电子，加速光生电子-空穴对的分离，能提高纳米催化剂的光催化效率。此外，微波加热具有选择性加热、加热均匀、反应时间短、产物均一性好等特点，导致该方法能缩短反应实践，制备工艺能耗小，在低温下可合成粒度小、纯度高、结晶较好纳米材料。因此，用微波法制备氧化硅/氧化物气凝胶催化材料，制备工艺简单、价格低廉，制备的催化材料粒径大小均匀、结晶性好的催化材料，将在污水处理、环境保护、建筑材料和太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。2.专利技术原理：通过有机硅水解形成Si(OH)4，然后在溶胶-凝胶过程中通过Si(OH)4的缩聚和脱水获得具有三维网络结构的氧化硅凝胶；同时，在形成氧化硅凝胶的过程中，将石墨烯均匀嵌在氧化硅凝胶中，形成一个有机的整体；以氧化硅/石墨烯为载体，通过氧化物催化剂负载赋予氧化硅/石墨烯气凝胶光催化性能，从而获得催化性能好的氧化硅/氧化物催化材料。主要化学反应过程如下：(1)有机硅的水解Si(OR)4+4H2O→Si(OH)4+4ROH，其中R代表有机官能团；(2)Si(OH)4的缩聚：硅酸分子中Si-OH之间通过进一步的脱水缩合形成Si-O-Si，具体的反应为：2Si(OH)4→(OH)3Si-O-Si(OH)3+H2O(3)Si(OH)4的脱水：溶胶向凝胶转变过程，Si-O-Si之间进一步缩聚，脱水生成SiO2，并随着微波辐射作用使SiO2的分子质量不断增加，且这些SiO2连接到一起形成三维网络结构，形成孔结构。凝胶后，SiO2胶体粒子在溶剂中保持其网络结构，溶剂充满于胶体粒子间隙，最终形成SiO2气凝胶。石墨烯均匀分散在Si(OH)4溶液中，在Si(OH)4缩聚和脱水形成SiO2三维网络结构过程中容易将石墨烯包裹在结构中，构建成一个氧化硅/石墨烯胶体粒子，最终形成氧化硅/石墨烯气凝胶粉体。石墨烯是一种理想的纳米催化剂载体，拥有高的比表面积、超强的机械性能和优异的导电性能，易捕获电子和有效传导电子，能阻止催化剂中光生载流子的复合。所以石墨烯嵌入SiO2气凝胶中，增加SiO2气凝胶的导电能力和力学性能。(4)氧化硅/石墨烯气凝胶粉体均匀分散在水中，无机盐无水乙醇溶液加入后发生水解形成氢氧化物小晶核，且这些小晶核包覆在氧化硅/石墨烯气凝胶粉体表面上，随着时间的推移这些氢氧化物小晶核氧化硅/石墨烯气凝胶粉体表面形成大的晶核。然后在微波辐射作用下，这些小晶核分解形成氧化物晶体附着氧化硅/石墨烯气凝胶粉体上，最后形成氧化硅气凝胶催化材料。本专利技术最大的特点是利用微波加热方法制备导电性好的氧化硅/石墨烯气凝胶粉体，然后通过微波加热的方法实现氧化硅/石墨烯气凝胶均匀负载催化剂纳米材料，最终获得性能稳定、催化活性强的氧化硅/氧化物气凝胶催化材料。该方法不需要加热，快速合成氧化硅/石墨烯气凝胶粉体和氧化硅/氧化物气凝胶气凝胶催化材料。3.与现有技术相比，本专利技术的优势在于：(1)使用微波加热方法制备氧化硅/石墨烯气凝胶颗粒，获得质量轻、比表面积大的石墨烯/氧化硅气凝胶复合粉末；(2)以氧化硅/石墨烯气凝胶粉末为载体，通过微波加热方法实现均匀负载催化剂纳米颗粒。本专利技术可有效控制催化剂纳米颗粒的粒径，所制备的氧化硅/石墨烯气凝胶纳米颗粒与氧化物颗粒结合牢固，包覆均匀，光催化性能和稳定性好；(3)利用微波加热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有光催化活性的氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将石墨烯水溶液、有机硅源溶液和氨水混合后顺次进行水浴和陈化得到石墨烯/氧化硅溶胶；/n(2)将步骤(1)所得石墨烯/氧化硅溶胶微波辐射处理后得到氧化硅/石墨烯气凝胶粉末；/n(3)将步骤(2)所得氧化硅/石墨烯气凝胶粉末、水、无机盐无水乙醇溶液混合后得到氧化硅/石墨烯气凝胶-氢氧化物胶体溶液；/n(4)将步骤(3)所得氧化硅/石墨烯气凝胶-氢氧化物胶体溶液经过微波辐射后得到氧化硅/氧化物气凝胶光催化材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有光催化活性的氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将石墨烯水溶液、有机硅源溶液和氨水混合后顺次进行水浴和陈化得到石墨烯/氧化硅溶胶；
(2)将步骤(1)所得石墨烯/氧化硅溶胶微波辐射处理后得到氧化硅/石墨烯气凝胶粉末；
(3)将步骤(2)所得氧化硅/石墨烯气凝胶粉末、水、无机盐无水乙醇溶液混合后得到氧化硅/石墨烯气凝胶-氢氧化物胶体溶液；
(4)将步骤(3)所得氧化硅/石墨烯气凝胶-氢氧化物胶体溶液经过微波辐射后得到氧化硅/氧化物气凝胶光催化材料。


2.根据权利要求1所述的具有光催化活性的氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述有机硅源为正硅酸乙酯、正硅酸丁酯和正甲基硅烷的一种或几种。


3.根据权利要求2所述的具有光催化活性的氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，所述有机硅源溶液是由有机硅源、无水乙醇、冰醋酸混合得到，其中有机硅源、无水乙醇和冰醋酸的体积比为5～6mL：20～30mL：0.1～0.5mL。


4.根据权利要求3所述的具有光催化活性的氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述石墨烯水溶液的浓度为0.8～1.2g/L，石墨烯为氧化石墨烯或还原氧化石墨烯。
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈传盛，熊剑平，何忠明，禤炜安，刘平，张仰鹏，焦晓东，冯明珠，覃兴，刘艳玲，
申请(专利权)人：广西交科集团有限公司，长沙理工大学，广西交科新材料科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：广西;45