三维孔道相互连通的纳米结晶介孔光催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术属于无机先进材料和水中污染物去除技术领域，具体为一种三维孔道相互连通的纳米结晶介孔光催化剂及其制备方法。该介孔光催化剂由两维六方结构、直孔道、大孔径纳米复合介孔氧化物材料在NaOH溶液中通过刻蚀孔壁内无定形SiO2纳米颗粒，再经洗涤、干燥、活化过程而制得。新催化剂孔径范围为1–20nm，BET比表面积为80–900m2/g；热稳定性高于400℃。在室温与紫外光照射下，该介孔光催化剂于液相中降解阳离子、阴离子染料的性能是原相应的两维六方结构、直孔道纳米复合介孔材料的2–10倍；降解藻毒素的性能是原相应的两维六方结构、直孔道纳米复合介孔材料的1.3–6倍。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属无机先进材料和水中污染物去除
具体涉及一种具有不同组成、三维孔道相互连通、大孔径、高比表面积、高性能、纳米结晶介孔氧化物光催化剂及其制备方法。
技术介绍
高度有序、两维六方结构、直孔道、大孔径、高比表面积、纳米复合介孔XTiO2 -ySi02 材料由TiO2纳米晶粒与无定形SiO2纳米颗粒组成，TiO2纳米晶粒与SiO2纳米颗粒在骨架内相互连接、相间共存，形成一种非常独特的介孔骨架结构。其大孔径可使反应物以及产物分子在反应前后容易扩散进出，高比表面积可提供更多的吸附与光催化活性中心，因此大幅提高了 TiO2光催化降解有机污染物(如阳、阴离子染料，藻毒素等)的效率。但两维六方排列、平行的直孔道互不相通，每条孔道只在 两端有孔口，反应物分子只能从孔道两端的孔口进入、在孔道内须经较长距离才能到达孔道深处的内表面；在孔道深处的产物分子必须长距离扩散方可从两端的出口离开孔道。这在较大程度上影响了内表面性能的充分发挥、以及光催化效率的进一步提高。如果在确保原介孔骨架结构免遭破坏的前提下，将孔壁内的无定形SiO2纳米颗粒部分或全部刻蚀掉、可在孔壁上造出无数新孔。这些新孔既为原孔道添加了无数“窗口”，又将原平行、互不相通的直孔道相互连通，形成孔道三维高度相互连通结构。这样，反应物分子可从无数“窗口 ”和孔口同时进入孔道、在孔道内经很短距离便可快速到达内表面、或进入其它孔道；孔道内的产物分子同样只需通过很短距离便可到达各“窗口”与孔口、并快速离开孔道。从而，可极大地提高内表面的利用率、光催化与催化效率、以及传感、光电转化等方面的性能。对于高度有序、两维六方结构、直孔道、大孔径、高比表面积XNb2O5 - ySi02、XTa2O5 - ySi02、XZrO2 - ySi02 等纳米复合介孔材料,它们与介孔XTiO2 - ySi02的情况类似，通过刻蚀其孔壁内SiO2纳米颗粒、在孔壁上造出无数新孔、使原平行、互不相通的直孔道相互连通，形成三维孔道高度相互连通结构、及无数向外的“窗口”，同样可以极大地提高这些材料的吸附、光催化、催化、传感、光电转化等方面的性能。目前，国内外对这方面的研究尚未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三维孔道相互连通、大孔径、高比表面积、高性能、纳米结晶介孔氧化物光催化剂及其制备方法。三维相互连通的孔道可使染料、藻毒素等污染物分子从无数“窗口”与孔口同时进入、在孔道内经很短距离快速到达更多吸附与光催化活性中心；孔道内的产物分子同样只需通过很短距离便可从无数“窗口”与孔口快速离开孔道。从而极大地提高内表面的利用率、以及光催化效率，达到更加快速、高效去除水中污染物的目的。本专利技术提出的三维孔道相互连通的纳米结晶介孔光催化剂由两维六方结构、直孔道、大孔径纳米复合介孔氧化物材料在NaOH溶液中通过刻蚀其孔壁内无定形SiO2纳米颗粒制备得到；介孔光催化剂在保持原有介孔骨架结构的同时，在孔壁上形成无数新孔，新孔将原平行、互不相通的直孔道相互连通；其孔径范围为I - 20 nm, BET比表面积为80 - 900 m2/g，热稳定性高于400 V ;所述介孔光催化剂的形貌为粉体，骨架呈纳米结晶或高纳米结晶状态；介孔光催化剂为单一组分的介孔氧化物、两种及两种以上组分的复合介孔氧化物。本专利技术中，所述单一组分的介孔光催化剂如氧化钛、氧化铌、氧化钽、氧化锆等；两种及两种以上组分的复合介孔氧化物为氧化钛硅、氧化铌硅、氧化钽硅、氧化锆硅、氧化钛银、氧化钛钽、氧化钛错、氧化钛招、氧化银钽、氧化银错、氧化银招、氧化钽错、氧化钽招、氧化锆铝、氧化钛铌-氧化硅、氧化钛钽-氧化硅、氧化钛锆-氧化硅、氧化钛铝-氧化硅、氧化铌钽-氧化硅、氧化铌锆-氧化硅、氧化铌铝-氧化硅、氧化钽锆-氧化硅、氧化钽铝-氧化娃、氧化错招-氧化娃、氧化钛银钽、氧化钛银错、氧化钛银招、氧化钛钽错、氧化钛钽招、氧化钛错招、氧化银钽错、氧化银钽招、氧化银错招、氧化钽错招、氧化钛银钽-氧化娃、氧化钛铌锆-氧化硅、氧化钛铌铝-氧化硅、氧化钛钽锆-氧化硅、氧化钛钽铝-氧化硅、氧化 钛错招-氧化娃、氧化银钽错-氧化娃、氧化银钽招-氧化娃、氧化银错招-氧化娃、氧化钽错招-氧化娃、氧化钛银钽错、氧化钛银钽招、氧化钛银错招、氧化钛钽错招、氧化银钽错招、氧化钛银钽错-氧化娃、氧化钛银钽招-氧化娃、氧化钛银错招-氧化娃、氧化钛钽错招-氧化娃、氧化银钽错招-氧化娃、氧化钛银钽错招、氧化钛银钽错招-氧化娃等。本专利技术提供的上述三维孔道相互连通的纳米结晶介孔光催化剂的制备方法，包括研究原介孔氧化物孔壁内无定形SiO2的含量，孔壁晶化温度与时间，NaOH溶液浓度，固-液t匕，NaOH溶液处理温度、时间与次数等制备条件。本专利技术提供的一种三维孔道相互连通的纳米结晶介孔光催化剂的制备方法，具体步骤如下 (I)先制备两维六方结构、直孔道、大孔径纳米复合介孔氧化物材料，将其研磨成细粉。 其中SiO2的摩尔百分含量为I - 99%，晶化温度为400 - 950 °C，晶化时间为2 - 24小时。在晶化过程中，孔壁(或骨架)上无定形金属氧化物转变为纳米晶粒并与无定形SiO2纳米颗粒分相、形成纳米复合介孔氧化物材料。调节骨架内SiO2的含量、孔壁晶化温度与时间，可获得大小不同的SiO2纳米颗粒、以及SiO2颗粒密度不同的孔壁。(2)将步骤(I)所得细粉用NaOH溶液处理，离心分离，然后用NaOH溶液继续处理得到的固体，离心分离，重复此操作，直至SiO2大部分或完全被刻蚀，将得到的固体用去离子水洗涤； 在此过程中孔壁内无定形SiO2纳米颗粒与NaOH反应逐渐被刻蚀，同时纳米晶粒金属氧化物不被刻蚀；这样，孔壁上形成无数纳米洞或空穴，其走向随机；随着刻蚀进行，这些洞或空穴穿透孔壁，将原两维六方排列、平行的、互不相通的直孔道相互连通，随着反应时间延长以及NaOH溶液处理次数增多，孔壁内SiO2纳米颗粒被刻蚀程度升高，骨架上纳米孔或洞的尺寸及数目也增大、增多，直至骨架内SiO2纳米颗粒大部分或全部被刻蚀，形成三维孔道高度相互连通结构。此过程称为“孔道三维相互连通过程”。(3)将步骤(2)中得到的洗涤洁净的固体经干燥、活化处理，即得所需的三维孔道高度相互连通的纳米结晶介孔氧化物材料。本专利技术中，步骤(I)中，所得到的两维六方结构、直孔道、大孔径纳米复合介孔氧化物为氧化钛硅、氧化铌硅、氧化钽硅、氧化锆硅、氧化钛铌与氧化硅、氧化钛钽与氧化硅、氧化钛锆与氧化硅、氧化钛铝与氧化硅、氧化铌钽与氧化硅、氧化铌锆与氧化硅、氧化铌铝与氧化硅、氧化钽锆与氧化硅、氧化钽铝与氧化硅、氧化锆铝与氧化硅、氧化钛铌钽与氧化硅、氧化钛铌锆与氧化硅、氧化钛铌铝与氧化硅、氧化钛钽锆与氧化硅、氧化钛钽铝与氧化硅、氧化钛锆铝与氧化硅、氧化铌钽锆与氧化硅、氧化铌钽铝与氧化硅、氧化铌锆铝与氧化娃、氧化钽错招与氧化娃、氧化钛银钽错与氧化娃、氧化钛银钽招与氧化娃、氧化钛银错招与氧化硅、氧化钛钽锆铝与氧化硅、氧化铌钽锆铝与氧化硅、氧化钛铌钽锆铝与氧化硅等。本专利技术中，步骤(I)中，制备的两维六方结构、直孔道、大孔径纳米复合介孔氧化物材料中，SiO2的摩尔百分含量为I - 99% ;在复合介孔氧化物中，金属氧化物之间的相互比例可任意本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维孔道相互连通的纳米结晶介孔光催化剂，其特征在于所述介孔光催化剂由两维六方结构、直孔道、大孔径纳米复合介孔氧化物材料在NaOH溶液中通过刻蚀其孔壁内无定形SiO2纳米颗粒制备得到；介孔光催化剂在保持原有介孔骨架结构的同时，在孔壁上形成无数新孔，新孔将原平行、互不相通的直孔道相互连通；其孔径范围为1–20？nm，BET比表面积为80–900？m2/g，热稳定性高于400？℃；所述介孔光催化剂的形貌为粉体，骨架呈纳米结晶或高纳米结晶状态，介孔光催化剂为单一组分的介孔氧化物，或两种或两种以上组分的复合介孔氧化物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董维阳，孙尧俊，赵东元，华伟明，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：