[發明專利]介孔金屬氧化物/大孔二氧化鈦納米管陣列復合光催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201010215619.6
• 申請日: 2010-06-29
• 公開（公告）號: CN101884915A
• 公開（公告）日: 2010-11-17
• 發明（設計）人: 施利毅;袁帥;于樂;趙尹;方建慧
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B01J21/06
• 分類號: B01J21/06;B01J23/745;B01J23/72;B01J23/14;B01J23/34;B01J23/26;B01J35/10;C02F1/30;C02F1/32;C02F1/461;C02F101/34
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

技術領域

本發明涉及一種介孔金屬氧化物/大孔二氧化鈦納米管陣列復合光催化劑及其制備方法。

背景技術：

隨著工業生產的發展，全球性的能源短缺與環境污染日益威脅到人類的生存與發展。如何利用環保清潔又可再生的太陽能資源來解決人類的能源與環境危機成為了各國科學家的研究熱點。

始于20世紀70年代的光催化技術是一種利用光照激發氧化物半導體產生光生電子-空穴對，徹底降解有機污染物、環境友好無二次污染的辦法，在環境污染處理中有潛在的應用前景。到目前為止，在所有研究的半導體光催化劑中，二氧化鈦被證明最適合于廣泛的環境應用，這是因為二氧化鈦具有很高的光催化活性和良好的生物、化學惰性，不會發生光腐蝕和化學腐蝕，而且價格相對便宜。

但目前存在的問題是，二氧化鈦的能帶帶隙較寬(3.2eV)，只能被波長較短的紫外線激發，即太陽光的紫外部分，而太陽光能量密度最大部分卻在400～600納米區域，紫外光能量在太陽光中所占比例不到5％，故它對太陽光的利用率很低，而且二氧化鈦光生電子-空穴復合率高，限制了其可見光催化活性；另外，現已面世的工業化的顆粒狀二氧化鈦催化劑存在著難以與降解物分離、催化劑易流失且回收的難點；而薄膜型光催化劑反應面積有限且易吸附溶液內惰性物質失活等問題阻礙著光催化技術的實際應用。

二氧化鈦納米管陣列具有較高的比表面積，其垂直排列于導電層的管道優化了電子的傳導，降低了光生載流子的復合幾率，其孔道大小、形狀可調，在光催化等方面有著潛在應用前景。但其合成時多采用陽極氧化法，可見光敏化較困難。Grimes等其將金屬銅與鈦混合濺射成膜后再氧化生成陣列，獲得了一定的可見光活性，但其工藝復雜，設備要求較高，不適應實際推廣(Nano.Lett.2008.7：1906-1911)。Chen等人而通過在二氧化鈦孔道內填充Cu₂O，提高其可見光下對四氯酚的降解，但氧化物的填入會減少孔道的比表面積，降低其對污染物的吸附(Environ.Sci.Technol.2009.43：858-863)。介孔類物質具有較高的比表面積，若把介孔類金屬氧化物引入孔道內，則可以在可見光敏化的同時提高其對污染物的吸附，從而為提高二氧化鈦光催化活性提供了新的途徑。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種介孔金屬氧化物/大孔二氧化鈦納米管陣列復合光催化劑。

本發明的目的之二在于提供該催化劑的制備方法。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種介孔金屬氧化物/大孔二氧化鈦納米管陣列復合光催化劑，其特征在于該催化劑以垂直附著于金屬鈦板的大孔二氧化鈦納米管陣列為載體，其中填充有介孔金屬氧化物，其填充度為10～100％V/V。

上述的介孔金屬氧化物為孔徑范圍為2～10nm的金屬氧化物；所述的大孔二氧化鈦納米管陣列管徑范圍為50～150nm鈦基二氧化鈦陣列。

上述的金屬氧化物為：鈦、鐵、銅、錫、鉻或錳的氧化物。

上述的鈦、鐵、銅、錫、鉻或錳的氧化物為：二氧化鈦、三氧化二鐵、氧化銅、二氧化錫、三氧化二鉻、二氧化錳。

一種制備上述的介孔金屬氧化物/大孔二氧化鈦納米管陣列復合光催化劑的制備方法，其特征在于該方法的具體步驟為：

a.將非離子型表面活性劑或陽離子表面活性劑作為介孔結構模板劑溶解在的醇水混合溶劑中，其中水與醇的質量之比為：0.1～1∶1；攪拌均勻后，再加入金屬前驅物；調節體系pH為值1～4，得到混合溶液；非離子型表面活性劑與醇水混合溶劑的質量之比為0.001～0.01∶1，陽離子表面活性劑與醇水混合溶劑的質量之比為：0.01～0.1∶1；所述的金屬前驅物與醇水混合溶劑的質量之比為：0.1～1∶6.5；

b.將鈦板陣列浸漬步驟a所得的混合溶液中，通過抽真空法或提拉法，將混合溶液導入至鈦板陣列孔道中，在5～40℃，濕度50～80％的條件下，溶劑揮發自組裝12～48小時得到復合材料；

c.將步驟b所得復合材料以1～5℃/分鐘的速度升溫至350～600℃，保溫1～4小時，得到催化劑。

上述的非離子型表面活性劑為：三嵌段共聚物EO₂₀PO₇₀EO₂₀或EO₁₀₆PO₇₀EO₁₀₆；所述的陽離子表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨CTAB。

上述的金屬氧化物前驅物為鈦、鐵、銅、錫、鉻、錳的醇鹽或無機鹽中的至少一種。