[發(fā)明專利]一種三維多孔二氧化鈦泡沫塊體及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710322674.7
• 申請(qǐng)日: 2017-05-09
• 公開（公告）號(hào): CN108855017A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃富強(qiáng);趙雯麗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號(hào): B01J20/28
• 分類號(hào): B01J20/28;B01J20/22;B01J20/30;B01J31/38;B01D53/86;B01D53/72;C02F1/28
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優(yōu)麗

本發(fā)明涉及一種三維多孔二氧化鈦泡沫塊體及其制備方法，包括：將質(zhì)子化相層狀堿金屬鈦酸鹽置于含有小分子有機(jī)胺的溶液中，經(jīng)攪拌后得到氧化鈦納米片剝離液；將所得氧化鈦納米片剝離液經(jīng)過冷凍干燥，得到所述三維多孔二氧化鈦泡沫塊體。本發(fā)明的三維多孔二氧化鈦泡沫孔徑分布均勻，孔體積較大，具有十分優(yōu)異的親水性能和一定的機(jī)械強(qiáng)度，是金屬離子吸附的合適材料，可應(yīng)用于污水凈化領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種三維多孔二氧化鈦泡沫塊體及其制備方法和應(yīng)用，具體涉及一種由氧化鈦納米片膠體制備三維多孔二氧化鈦泡沫塊體的方法。

背景技術(shù)

水是生命之源，為人類生活、生物生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所必需。然而，現(xiàn)代工業(yè)和其它產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，城市人口的增長(zhǎng)使環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，使得目前為數(shù)不多的水源遭到了大量的污染。重金屬廢水主要來自采礦、有色金屬、電鍍、電解、農(nóng)藥、醫(yī)藥、油漆、顏料等工業(yè)，主要含有鎘、鉻、汞、鋅、銅等重金屬，其種類、含量及存在形態(tài)隨產(chǎn)生條件而異。重金屬進(jìn)入環(huán)境后不能被生物降解，通過食物鏈循環(huán)，并最終在生物體內(nèi)積累，破壞生物體的正常生理代謝活動(dòng)，進(jìn)而危害人體健康。國(guó)內(nèi)外常用的重金屬廢水治理方法有物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法、電化學(xué)法和生物法等。物理吸附法操作簡(jiǎn)單、見效快、二次污染小，是21世紀(jì)最有研究?jī)r(jià)值的處理方法之一。

但是，常用的材料如活性炭，石墨烯等，吸附性能較差，吸附速率慢，并且難以回收再利用。因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)新材料和新工藝以應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的水污染問題具有十分重大的意義。近年來，有關(guān)無機(jī)層狀化合物剝離分層制備二維單分子層納米片(nanosheets)的研究越來越受到研究者的青睞。由層狀化合物剝離生成的二維納米片，其結(jié)構(gòu)、組成與母體層狀化合物板層相一致。納米片厚度在分子尺度(1nm左右)，橫向尺寸在亞微米至數(shù)微米間，表現(xiàn)出極端的二維各向異性。此外，剝離所得納米片表面通常帶有電荷，因此可作為基本單元用來構(gòu)筑多功能復(fù)合薄膜和其它納米復(fù)合材料。由于這些優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，二維單分子層納米片材料在能源、環(huán)境、傳感和計(jì)算機(jī)芯片等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。特別地，由于其較好的親水性能和較高的比表面積，這種材料在重金屬離子吸附方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

但是，二維單分子層納米片作為一種平面二維材料，片層之間十分容易堆疊，造成比表面積和孔體積大大減少，使得其直接用于吸附材料有許多困難。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問題，本發(fā)明從從結(jié)構(gòu)入手，構(gòu)造適合的三維多孔二氧化鈦泡沫塊體，以及一種可以簡(jiǎn)單、快速制備三維多孔二氧化鈦泡沫塊體的制備方法。

一方面，本發(fā)明提供了一種三維多孔二氧化鈦泡沫塊體的制備方法，包括：

將質(zhì)子化相層狀堿金屬鈦酸鹽置于含有小分子有機(jī)胺的溶液中，經(jīng)攪拌后得到氧化鈦納米片剝離液；

將所得氧化鈦納米片剝離液經(jīng)過冷凍干燥，得到所述三維多孔二氧化鈦泡沫塊體。

本發(fā)明先利用小分子有機(jī)胺對(duì)二氧化鈦納米片進(jìn)行表面修飾得到氧化鈦納米片剝離液，其中高活性的氧化鈦納米片為相應(yīng)的單分子片層結(jié)構(gòu)。再利用冷凍干燥得到高吸附性能的二氧化鈦泡沫塊體。所述TiO₂泡沫具有的三維互通網(wǎng)絡(luò)的大孔結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)互通結(jié)構(gòu)有著極大的比表面和互相連接的孔洞，壁墻是由再堆垛的氧化鈦納米片構(gòu)成。所用剝離液的較高濃度使得納米片之間更容易接觸，在冷凍干燥的過程中，隨著水的移除，氧化鈦納米片發(fā)生堆疊和自組裝，形成互通連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。而這種結(jié)構(gòu)由于多種相互作用力得到加強(qiáng)，如官能團(tuán)(小分子有機(jī)胺上的氨基，水分子和氧化鈦納米片的含氧基團(tuán)等)之間的范德華力和氫鍵作用力。

較佳地，所述冷凍干燥包括：溫度：－50℃～－78℃；真空：0.5～12Pa；時(shí)間：24h～72h。

較佳地，將層狀堿金屬鈦酸鹽和濃度為0.5-2M的酸溶液按照1～40g/L的液固比混合并攪拌1-5天，每2～12小時(shí)更換一次酸溶液，得到質(zhì)子化相層狀堿金屬鈦酸鹽。