[發明專利]一種氧化鈦粘土光催化材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201010184056.9
• 申請日: 2010-05-27
• 公開（公告）號: CN102258993A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發明（設計）人: 余江;袁玲玲;黃丹丹;楊秋昕
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B01J21/16
• 分類號: B01J21/16;B01J21/06;B01J37/00;B01J20/12;B01J20/30
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技術領域

本發明涉及一種基于表面活性劑自組裝的作用實現納米氧化鈦在粘土表面的固定化制備粘土光催化材料的方法，實現納米氧化鈦的固定化新途徑，提高光催化材料的吸附和光催化效率，并將這一粘土材料應用于廢水處理等領域。

技術背景

納米二氧化鈦具有量子尺寸效應和表面效應等特殊性質，二氧化鈦禁帶寬度較寬，只能吸收波長低于387.5nm的紫外光，在光催化過程中電子轉移率低，光生電子和光生空穴極易復合，光量子產率不足10％，而且太陽光中只有不足5％的紫外光可以利用，對日光的利用率很低。二氧化鈦粒徑越小，吸收光能后，激發態的電子、空穴向表面擴散的數量越多，光催化效率越高。但是氧化鈦光催化降解有機污染物大多采用懸浮分散法，存在氧化鈦顆粒細小、易團聚、對有機物的吸附性能差，造成量子效率低和納米二氧化鈦難以分離回收等問題。同時，銳鈦型氧化鈦晶體顆粒大小在6-8nm(＜10nm)時其催化特性最佳，小于3nm時，基本上不具備光催化所需的光量子效應。因此，通過改變TiO₂性質和形態，研究可控性制備納米氧化鈦顆粒并有效固定化使納米氧化鈦發揮其最大光催化性能，對于光催化氧化技術在水處理中的應用和向其它領域的推廣具有很大的實際意義。

蒙脫石是一種與環境完全兼容的層狀粘土，具有很強的吸附特性和離子交換性。以蒙脫石為載體固定化納米氧化鈦顆粒彌補了水相中納米二氧化鈦易凝聚，難以分離回收，活性成分損失大等缺陷。以水熱法制備高分散穩定的納米氧化鈦，調控納米氧化鈦的粒徑大小，可以通過表面活性的自組裝作用有序控制納米氧化鈦在粘土片層表面的固定化過程，以優化氧化鈦改性蒙脫石光催化材料的結構性能。

氧化鈦粘土光催化材料，以其較強的吸附性能和光催化性能，可以廣泛應用于化學化工、生物技術及環境污染控制等領域。

發明內容

為了解決納米氧化鈦顆粒在粘土載體上的有序固定化及粒徑優化的問題，本發明的目的是提供一種納米氧化鈦在粘土載體表面固定化的粘土光催化材料。該材料是通過一種預分散納米氧化鈦在粘土片層表面的自組裝過程，即以水熱法制備高分散穩定的納米氧化鈦，調控納米氧化鈦的粒徑大小，然后通過表面活性的自組裝作用有序控制納米氧化鈦在粘土片層表面的固定化過程。

該合成方法的一個目的是解決納米氧化鈦合成過程中納米顆粒的團聚問題；

本發明的另一個目的是實現納米氧化鈦粒子在粘土載體表面的有序固定化，得到高度分散且粒徑優化的納米氧化鈦粘土光催化材料，提高材料的光催化性能。

本發明的氧化鈦粘土光催化材料的合成方法，包括以下步驟：

(1)鈉基蒙脫石的提純；

(2)鈉基蒙脫石的水化；

(3)納米氧化鈦的合成；

(4)納米氧化鈦在粘土表面的固定化；

(5)煅燒處理。

本發明通過化學改性在納米顆粒表面接枝有機分子阻止納米顆粒因表面能的作用而團聚。用于水熱法制備納米二氧化鈦，以二乙醇胺為穩定劑和分散劑調控納米氧化鈦粒徑與形貌，得到與分散的納米氧化鈦溶液。預分散納米氧化鈦在粘土表層的固定化過程如圖1所示：(1)表面含有豐富羥基的納米二氧化鈦顆粒與醇胺的羥基經脫水反應生成外層含有親水氨基的納米氧化鈦(A)，且穩定分散在水溶液中；(2)溶液中引入表面活性劑CTAB后，表面活性劑的親水端銨基與(A)中的氨基通過氫鍵和靜電作用自組裝形成外層為疏水特性的納米氧化鈦-表面活性劑組合物(B)；(3)在溶液中形成組合物(B)的同時有一部分CTAB通過離子交換作用與蒙脫石粘土插層反應形成表面疏水的有機改性蒙脫石顆粒(C)；(4)由于水溶液中納米氧化鈦-表面活性劑組合物(B)的外層為疏水特性，是不穩定的，很容易與表面同為疏水特性的CTAB改性蒙脫石(C)相互作用而促使納米氧化鈦顆粒在粘土表面的固定化，得產物(D)，由于產物(D)仍然保持強的疏水特性而與反應體系的水溶劑自然分相；最后，(5)熱處理過程中由于外層表面活性劑的保護作用，固定在粘土表層的納米氧化顆粒基本保持其原有粒度而不發生聚并得到產物(E)。焙燒既除掉納米氧化鈦表面的有機物質，同時蒙脫石粘土層間的表面活性劑也被分解而恢復原有的層間狀態。

附圖說明

圖1預分散納米氧化鈦在粘土表層的固定化過程圖

圖2TiO₂納米顆粒以及DEA-TiO₂納米粒子的透射電鏡圖

圖3TiO₂納米粒子以及DEA、DEA-TiO₂納米粒子的紅外光譜圖

圖4改性蒙脫石的熱重曲線