用于压电催化降解水中微量有机污染物的钛酸钡纳米材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种用于压电催化降解水中微量有机污染物的钛酸钡纳米材料及其制备和应用，该钛酸钡纳米材料以氢氧化钛前驱物、八水合氢氧化钡分别作为钛酸钡纳米材料的钛源、钡源，以氢氧化钠、乙醇作为反应助剂，通过水热或溶剂热法制备。与现有技术相比，本发明专利技术制备的钛酸钡纳米材料，可通过吸收环境能量加强电子、空穴对的分离，从而对微量有机污染物的降解过程起到催化作用；在室温下，可高效降解抗生素等微量有机污染物；可稳定循环使用等。可稳定循环使用等。可稳定循环使用等。

【技术实现步骤摘要】
用于压电催化降解水中微量有机污染物的钛酸钡纳米材料及其制备和应用


[0001]本专利技术属于纳米材料
，涉及一种用于压电催化降解水中微量有机污染物的钛酸钡纳米材料及其制备和应用。

技术介绍

[0002]各个水源地频繁检出抗生素等微量有机污染物，威胁着人类的身体健康，而常规的饮用水处理方法不易去除这些微量有机污染物，通常需要进行深度处理，目前最常见的便是基于羟基自由基(
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OH)和硫酸根自由基(
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SO4‑
)的高级氧化技术；另一方面，各种水处理工艺运行中，往往伴随着巨大的能源消耗，而水环境中其实存在着广泛的低频振动能，利用压电效应原理，将机械能转化为化学能便可实现污染物降解，完成净水过程的同时节约了能源和资源，有利于水生态可持续发展。
[0003]中国专利CN107954469 A公开了一种钛酸钡制备方法，其包括如下步骤：向内衬聚四氟乙烯的晶化釜内加入可溶性Ba源和去离子水；在搅拌的同时，再加入Ti源、氨水和离子液体；将晶化釜密闭后放入均相反应器，180～240℃下晶化反应8～120小时；晶化结束后，将釜内悬浊液体进行离心分离，用酸溶液洗涤所得固体，然后用去离子水洗涤固体至洗液为中性；干燥固体，得到四方相纳米钛酸钡粉体。该专利的反应时间长，操作过程相对复杂，需要添加复杂的离子液体。
[0004]中国专利CN110465282 A公开了一种采用溶胶凝胶法制备的钛酸钡，其包括以下步骤：(a)称取片层状纳米钛酸钡加入到甲基橙溶液中；(b)在黑暗中磁力搅拌达到吸附解吸平衡；(c)转移至紫外光源或/和超声辐射环境下，进行催化降解反应；(d)用注射器取样，高速离心，取上层澄清溶液；(e)利用紫外可见分光光度计测溶液吸光度，计算降解率，表征催化剂的催化性能。该材料在降解过程中需要光源，对条件要求相对较高模切降解污染物的效能较低。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了提供一种用于压电催化降解水中微量有机污染物的钛酸钡纳米材料及其制备和应用。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术的技术方案之一提供了一种用于压电催化降解水中微量有机污染物的钛酸钡纳米材料的制备方法，以钛酸四乙酯溶液与乙酸溶液混合得到的氢氧化钛前驱物、以及八水合氢氧化钡分别作为钛酸钡纳米材料的钛源、钡源，以氢氧化钠、乙醇作为反应助剂，通过水热或溶剂热法制备，即得到目标产物。
[0008]进一步的，该制备方法包括以下步骤：
[0009](1)：取钛酸四乙酯溶液与乙酸溶液混合，搅拌、静置、洗涤后，得到氢氧化钛前驱物；
[0010](2)：取氢氧化钛前驱物，与八水合氢氧化钡一起加入氢氧化钠的乙醇溶液，混合搅拌，得到白色悬浊液；
[0011](3)：将步骤(2)中的白色悬浊液装入反应容器内，密封，反应，所得反应沉淀进行洗涤，烘干，研磨，即得到目标产物。
[0012]更进一步的，步骤(1)中，钛酸四乙酯溶液与乙酸溶液混合时需要在不断搅拌的状态下，缓慢将钛酸四乙酯溶液加入乙酸溶液，搅拌、静置的时间分别满足不少于24h和不少于48h。
[0013]更进一步的，步骤(1)中，钛酸四乙酯溶液与乙酸溶液的体积比为1:10，乙酸溶液的浓度为1.0mol
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‑1，以TiO2计，钛酸四乙酯溶液的含量为33
‑
35％(质量分数)。
[0014]更进一步的，步骤(2)中，八水合氢氧化钡与氢氧化钛前驱物的摩尔比为1:1～2.5:1。
[0015]更进一步的，步骤(2)中，氢氧化钠的乙醇溶液中，氢氧化钠的浓度不大于1mol/L，优选为0.25mol
·
L
‑1，乙醇的浓度为25％～100％(体积分数)。
[0016]更进一步的，步骤(2)中，混合搅拌的时间不少于30min。
[0017]更进一步的，步骤(3)中，反应的温度为140～200℃，可选为200℃，时间为4～24h，可选为24h。
[0018]更进一步的，步骤(3)中，烘干的条件为：在60～80℃下保温12～48h，优选的，烘干的条件为：60℃下保温48小时。
[0019]更进一步的，步骤(3)中，洗涤过程具体为：用0.1mol
·
L
‑1的乙酸溶液、无水乙醇分别离心洗涤3次，再用超纯水洗涤至材料悬浮液在中性pH值范围(3～5次，pH＝6.5～7.5)。
[0020]本专利技术的反应机理：
[0021]本专利技术采用水热法进行钛酸钡的制备，相比其他方法更加安全可靠，更容易通过调节工艺参数获得尺寸均匀、性能理想的产物。反应前驱物选定钛酸四乙酯在乙酸中水解后得到的氢氧化钛前驱物，相比传统工艺中的二氧化钛，更容易在水热过程中通过溶解
‑
沉淀机制在反应初期形成四方相钛酸钡晶核。反应过程中各个工艺参数的主要作用如下：
[0022]氢氧化钠为反应补充碱度，适量的碱度可以促进晶核的形成，特别是四方相钛酸钡晶体的生成，当碱度过低时无法获得晶体，碱度过高时可能会得到反应活性较弱的立方相钛酸钡晶体；
[0023]钡钛比的增加有助于晶体的生成，但钡钛比过高时，会得到尺寸较大且反应活性较弱的立方相晶体；
[0024]乙醇的添加在反应过程中起到非常关键的作用，乙醇可以通过抑制前驱体的溶解来促使立方相晶核向四方相晶核转变，限制晶体的生长以获得较小尺寸的晶体，同时在一定程度上可以提高材料的分散性，但也需要和其他参数相协调，否则可能会因为尺寸效应影响四方相晶体的生成；
[0025]水热温度的提高和反应时间的延长会对晶体的生长起到促进作用，较长的水热时间和较高温度下会得到尺寸更大的钛酸钡晶体。
[0026]本专利技术的技术方案之二提供了一种用于压电催化降解水中微量有机污染物的钛酸钡纳米材料，其采用如上所述的制备方法制备得到。具体的，所制得的钛酸钡具有纳米尺寸结构、球状形貌结构和四方晶型结构，在组分上满足Ba、Ti、O三种元素之比接近1:1:3，无
杂相、杂质出现。
[0027]本专利技术的技术方案之三提供了一种用于压电催化降解水中微量有机污染物的钛酸钡纳米材料的应用，该钛酸钡纳米材料(记为BTO)用于压电催化降解水中微量有机污染物。
[0028]具体的，应用时，称取所得到的产物于含有微量有机污染物溶液的玻璃样品瓶中，静置以使吸附解吸平衡后，放入超声清洗机中开始压电催化降解过程。
[0029]更具体的，上述压电催化应用过程(图3
‑
4的实验参数)具体为：
[0030]1)在40ml样品瓶中配制20ml浓度为0.1～5.0mg
·
L
‑1的磺胺甲恶唑溶液；
[0031]2)称取所制备的钛酸钡纳米材料0.01g～0.50g于上述40ml样品瓶中；
[0032]3)将上述样品静置20～30min，使得反应体系达到吸附解吸平衡；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于压电催化降解水中微量有机污染物的钛酸钡纳米材料的制备方法，其特征在于，以钛酸四乙酯溶液与乙酸溶液混合得到的氢氧化钛前驱物、以及八水合氢氧化钡分别作为钛酸钡纳米材料的钛源、钡源，以氢氧化钠、乙醇作为反应助剂，通过水热或溶剂热法制备，即得到目标产物。2.根据权利要求1所述的一种用于压电催化降解水中微量有机污染物的钛酸钡纳米材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：(1)：取钛酸四乙酯溶液与乙酸溶液混合，搅拌、静置、洗涤后，得到氢氧化钛前驱物；(2)：取氢氧化钛前驱物，与八水合氢氧化钡一起加入氢氧化钠的乙醇溶液，混合搅拌，得到白色悬浊液；(3)：将步骤(2)中的白色悬浊液装入反应容器内，密封，反应，所得反应沉淀进行洗涤，烘干，研磨，即得到目标产物。3.根据权利要求2所述的一种用于压电催化降解水中微量有机污染物的钛酸钡纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，钛酸四乙酯溶液与乙酸溶液的体积比为1:10，乙酸溶液的浓度为1.0mol
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‑1，以TiO2计，钛酸四乙酯溶液的含量为33
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35wt％。4.根据权利要求2所述的一种用于压电催化降解水中微量有机污染物的钛酸钡纳米材料的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋铭皓，吕艳宁，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：