[發(fā)明專利]負(fù)載有氧化鈦納米顆粒的碳基材料及其制備方法和應(yīng)用

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111575890.5
• 申請(qǐng)日: 2021-12-22
• 公開（公告）號(hào): CN114433046A
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 仇健;巴龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J21/06
• 分類號(hào): B01J21/06;B01J21/18;B01J35/00;B01J35/06;B01J37/34
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 黃欣

本發(fā)明公開了一種負(fù)載有氧化鈦納米顆粒的碳基材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域。包括碳納米材料和氧化鈦納米顆粒，氧化鈦納米顆粒負(fù)載在碳納米材料表面；所述氧化鈦納米顆粒的平均粒徑小于2納米，具有增強(qiáng)的光催化效率。本發(fā)明利用光熱化學(xué)反應(yīng)在基體表面形成具有以化學(xué)或物理方式結(jié)合的超細(xì)納米材料；同時(shí)用導(dǎo)電纖維為基材，還可以實(shí)現(xiàn)光電協(xié)同催化，激光誘導(dǎo)光熱水解反應(yīng)對(duì)導(dǎo)電纖維表面的碳基納米材料產(chǎn)生局部熱效應(yīng)，促進(jìn)超細(xì)氧化鈦納米顆粒在表面水解析出，該技術(shù)支持量化生產(chǎn)，成本低廉，具有廣泛市場需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種負(fù)載在碳基材料表面高光催化活性的氧化鈦納米顆粒及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

目前，有多種方法可以制備得到具有高光催化效率的氧化鈦納米顆粒，并且多數(shù)采用水熱法。采用水熱法制備的是銳鈦礦型氧化鈦納米顆粒，具有較高的光催化效率。而采用鈦酸丁酯酸性室溫水解，可以制得氧化鈦超細(xì)納米顆粒或分子團(tuán)簇，該超細(xì)納米顆粒的尺寸小于2納米，具有比銳鈦礦型納米顆粒高數(shù)倍的光催化效率。但由于這種顆粒尺寸較小，一般分離技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)純化，因此溶液中是超細(xì)納米顆粒和較大納米顆粒的混合物，超細(xì)納米顆粒的高光催化效率未能充分發(fā)揮。同時(shí)，超細(xì)顆粒由于尺寸非常小，幾乎無法回收。如果將其負(fù)載于介孔材料或碳基材料，不僅可以通過異質(zhì)結(jié)間的電荷轉(zhuǎn)移的耦合效應(yīng)提高其光催化效率，還可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)其純化和回收。

氧化鈦納米顆粒與碳基納米材料偶聯(lián)，可以大幅提高氧化鈦的光催化效率（H.Zhang,P25-graphene composite as a high performance photocatalyst, ACS Nano,2010, 4, 380-386）。碳基納米材料具有很強(qiáng)的紅外吸收特性，激光輻照可以對(duì)材料產(chǎn)生局部瞬態(tài)熱效應(yīng)。將碳納米管、氧化石墨烯以較低的濃度分散在水溶液中，激光瞬間輻照對(duì)碳材料產(chǎn)生的熱效應(yīng)遠(yuǎn)高于溶液的熱效應(yīng)。因此，用紅外激光對(duì)碳納米材料輻照，只會(huì)影響碳材料或近鄰溶液短時(shí)產(chǎn)生高溫，而不影響遠(yuǎn)區(qū)溶液；并且激光輻照可以在微區(qū)局部實(shí)施輻照，形成任意可設(shè)計(jì)的局部光化學(xué)反應(yīng)。

光催化納米材料的一個(gè)主要應(yīng)用是環(huán)境污水處理。為了高效利用納米材料，需要將催化劑附著在比表面積大的基體材料表面。纖維材料由于具有大比表面積，成為主要負(fù)載基料，直接將光催化材料涂敷在纖維表面容易產(chǎn)生脫附。而用聚合物膠層固著催化劑則會(huì)產(chǎn)生表面覆蓋，降低光催化效率，因此利用光熱化學(xué)反應(yīng)在基體表面原位形成具有化學(xué)或物理方式結(jié)合的超細(xì)納米材料，可以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決超細(xì)納米顆粒水熱反應(yīng)熱控制難題，本發(fā)明采用紅外激光對(duì)強(qiáng)紅外吸收碳納米材料輻照以提供局域瞬間熱效應(yīng)，使得鈦酸丁酯在碳納米材料表面形成膠溶，通過激光輻照劑量控制超細(xì)納米顆粒形成，從而提供了一種負(fù)載有氧化鈦超細(xì)納米顆粒的碳基材料的制備方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種負(fù)載有氧化鈦納米顆粒的碳基材料，包括碳納米材料和氧化鈦納米顆粒，其中，氧化鈦納米顆粒負(fù)載在碳納米材料表面；

所述氧化鈦納米顆粒的平均粒徑小于2納米，具有增強(qiáng)的光催化效率。

進(jìn)一步地，所述碳納米材料為單壁碳納米管或/和石墨烯。

上述負(fù)載有氧化鈦納米顆粒的碳基材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，在4-8℃條件下，將鈦酸丁酯與無水乙醇混合，混合液加至硝酸水溶液中，得到鈦酸丁酯溶膠前驅(qū)體；

步驟2，在4-8℃條件下，將鈦酸丁酯溶膠前驅(qū)體與碳基材料混合；

步驟3，在4-8℃條件下，采用紅外激光對(duì)步驟2得到的混合材料進(jìn)行處理，純化后得到負(fù)載有氧化鈦納米顆粒的碳基材料。

進(jìn)一步地，步驟1中，鈦酸丁酯、硝酸、無乙醇和水的摩爾比為 0.2~0.5：0.10~0.22：0.40~0.60：15~22。

進(jìn)一步地，步驟1中所述鈦酸丁酯溶膠前驅(qū)體中加入有金屬離子進(jìn)行摻雜。