專利名稱：一種碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二氧化鈦材料的制備方法及其應(yīng)用，特別涉及一種碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
從1972年，人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料二氧化鈦可以在紫外光照射下電解水產(chǎn)生氫以來，二氧化鈦作為一種光催化性強、無毒、價廉、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的光催化劑在污水處理、空氣凈化、有機物光降解以及太陽能電池方面得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛的研究。但是二氧化鈦的實際應(yīng)用還受到諸多因素的限制，主要是光催化性較強的銳鈦礦性二氧化鈦的禁帶寬為 3. &V，只能被波長小于387. 5nm的紫外光激發(fā)顯示出光催化性，而紫外光僅占太陽光的5% 左右，因此大大限制了二氧化鈦對太陽光的利用；同時，二氧化鈦粉體在處理有機廢水時， 存在易團聚、流失，難分離、難回收等缺點，因此對污染物的光催化降解效率不高。因此，對二氧化鈦進行改性，拓寬其光響應(yīng)范圍和解決其在液相污染物中難以分離的不足，是目前國內(nèi)外在環(huán)境治理領(lǐng)域的又一具有挑戰(zhàn)性的研究課題。為了擴展二氧化鈦的光響應(yīng)范圍至可見光區(qū)，通常采用包裹金屬或非金屬的方式降低其禁帶寬度。自從Asahi在kience上首次報道了氮包裹二氧化鈦后，包裹非金屬元素如氮、氟、硫和碳等成為了研究的熱點。雖然包裹后的二氧化鈦具有可見光響應(yīng)，但是仍然不能保證光催化效率得到有效提高，而且仍然沒有解決二氧化鈦粉體難以從溶液中分離的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中制備的二氧化鈦光催化效率低，粉體難以從水溶液中分離的問題，提供一種碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的應(yīng)用方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟
A、在磁力攪拌下將150 500mg二氧化鈦和質(zhì)量濃度為1% 10%的蔗糖溶液按照質(zhì)量比1:2 10充分混合；
B、將步驟A的混合溶液放入恒溫箱中，在100°C 150°C溫度下，反應(yīng)2 他，使蔗糖碳
化；
C、將步驟B中所得的物質(zhì)研磨成粉末后在400 700°C的空氣氣氛中恒溫煅燒2 6 小時，制得所需產(chǎn)品。作為優(yōu)選方式，所述步驟C中，物質(zhì)在瑪瑙研缽中研磨成粉末。作為優(yōu)選方式，所述步驟A中，二氧化鈦為Degussa P25 二氧化鈦。本發(fā)明方法制備的碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料可應(yīng)用于水處理反應(yīng)器中光催化或光電催化降解有機污染物。
本發(fā)明方法制備的碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的應(yīng)用，以高壓放電產(chǎn)生的紫外光和可見光作為激發(fā)光源進行光催化，光催化反應(yīng)步驟為
將多孔鈦合金材料作為反應(yīng)器的陽極，多根不銹鋼針并聯(lián)為陰極，在反應(yīng)器中添加碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料，投加量為0. 5 6g/L，通過陽極通入流量為0. 2 0. 5m3/h的空氣或氧氣，對污染物進行降解。所述反應(yīng)器為脈沖放電反應(yīng)器或放電等離子體反應(yīng)器。本發(fā)明通過加熱蔗糖和二氧化鈦混合溶液使蔗糖碳化制備石墨化碳薄膜包裹二氧化鈦的復(fù)合材料。碳薄膜透明，不影響光的通透性和二氧化鈦的光催化性；而且石墨碳具有高電導(dǎo)率，利于二氧化鈦導(dǎo)帶的電子的傳輸，提高光生電子和空穴的分離效率。本發(fā)明制備的復(fù)合材料的顆粒大小在2 5微米之間，納米P25 二氧化鈦粒徑大小在21納米左右， 且納米二氧化鈦被包裹在透明碳薄膜之中，避免了納米二氧化鈦粒子的團聚。非平衡等離子體水處理技術(shù)是指在特定的反應(yīng)器內(nèi)，將陡前沿、窄脈沖的高壓施加于地極和放電極上，兩極間的高強電場使電子瞬間獲得能量成為高能電子，與H2O和02碰撞使其解離，產(chǎn)生· 0H、· HO2, · 0、· H、H2O2和O3等活性物質(zhì)，這些活性物質(zhì)與水中的有機物反應(yīng)使其降解。放電過程中由于分子的電離、躍遷會產(chǎn)生一些物理效應(yīng)，如紫外輻射、超聲波、沖擊波等。脈沖放電過程獲得的發(fā)射光譜顯示，光輻射的波長分布在200 1000納米范圍內(nèi)，因此，在脈沖放電水處理反應(yīng)器中添加TW2光催化劑，可以有效利用脈沖放電產(chǎn)生的紫外光和可見光，是進一步提高降解效率和反應(yīng)器能量效率的可行方法。本發(fā)明的有益效果在于
碳材料是一種理想的催化劑載體，不僅耐強酸堿腐蝕，而且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。碳包裹納米二氧化鈦顆粒可以解決二氧化碳納米粉體分散、難分離等問題。碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料比表面積大，吸附性好，減少了顆粒間的粘結(jié)，從而提高了二氧化鈦的催化效率。
具體實施例方式本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。實施例1 碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟
(1)把150mg蔗糖溶解到20ml水中制成質(zhì)量分數(shù)為1%的蔗糖溶液；
(2)在磁力攪拌下將20mgDeguSSaP25 二氧化鈦加入1%的蔗糖溶液中充分混合；
(3)將混合溶液放入100°C的干燥箱中加熱12小時，使蔗糖碳化；
(4)碳化后的混合材料在瑪瑙研缽里研磨成粉末，然后放入活化爐以2-5°C/min的升溫速率升到500°C的空氣氣氛中恒溫煅燒2小時。即得到含碳量為0. 5%的碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料。實施例2 碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟
(1)把500mg蔗糖溶解到50ml水中制成質(zhì)量分數(shù)為1%的蔗糖溶液；
(2)在磁力攪拌下將500mgDeguSSaP25 二氧化鈦加入1%的蔗糖溶液中充分混合；
(3)將混合溶液放入150°C的干燥箱中加熱6小時，使蔗糖碳化；
(4)碳化后的混合材料在瑪瑙研缽里研磨成粉末，然后放入活化爐以2 5°C/min的升溫速率升到600°C的空氣氣氛中恒溫煅燒4小時。即得到含碳量為1. 5%的碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料。實施例3 碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟
(1)把150mg蔗糖溶解到40ml水中制成質(zhì)量分數(shù)為5%的蔗糖溶液；
(2)在磁力攪拌下將20mgDeguSSaP25 二氧化鈦加入5%的蔗糖溶液中充分混合；
(3)將混合溶液放入150°C的干燥箱中加熱8小時，使蔗糖碳化；
(4)碳化后的混合材料在瑪瑙研缽里研磨成粉末，然后放入活化爐以2-5°C/min的升溫速率升到600°C的空氣氣氛中恒溫煅燒4小時。即得到含碳量為3%的碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料。實施例4 碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟
(1)把5g蔗糖溶解到50ml水中制成質(zhì)量分數(shù)為10%的蔗糖溶液；
(2)在磁力攪拌下將50mgDeguSSaP25 二氧化鈦加入10%的蔗糖溶液中充分混合；
(3)將混合溶液放入150°C的干燥箱中加熱12小時，使蔗糖碳化；
(4)碳化后的混合材料在瑪瑙研缽里研磨成粉末，然后放入活化爐以2 5°C/min的升溫速率升到700°C的空氣氣氛中恒溫煅燒6小時。即得到含碳量為5%的碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料。實施例5 本實施例為以碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料為光催化劑，在脈沖放電水處理反應(yīng)器中的應(yīng)用方法。將多孔鈦合金材料作為脈沖放電水處理反應(yīng)器的陽極，5根不銹鋼針并聯(lián)為陰極， 通過多孔陽極通入氧氣，在反應(yīng)器中添加碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料0. 5g/L，對模擬污染物甲基橙進行降解。試驗條件電極間距為13mm，氧氣流量為0. 18m3/h，甲基橙溶液濃度為80mg/L，處理量為250mL，脈沖電壓為40kV，頻率為110Hz，降解時間6min。作為對比，相同條件下在反應(yīng)器中未添加碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料，對模擬污染物甲基橙進行降解。試驗結(jié)果表明不加碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料時，甲基橙的降解率為80%，添加碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料時，甲基橙的降解率為90%。說明在高壓脈沖放電產(chǎn)生紫外光的作用下，碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料具有很好的光催化作用，能大幅度提高放電反應(yīng)器的能量效率。實施例5 本實施例為以碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料為光催化，在脈沖放電水處理反應(yīng)器中的應(yīng)用方法。將多孔鈦合金材料作為氣液混合放電等離子體反應(yīng)器的陽極，5根不銹鋼針并聯(lián)為陰極，在反應(yīng)器中添加1.5g/L碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料，通過多孔陽極通入氧氣，對模擬污染物甲基橙進行降解。試驗條件電極間距為13mm，氧氣流量為0. 18m3/h，甲基橙溶液濃度為80mg/L，處理量為250mL，脈沖電壓為40kV，頻率為110Hz，降解時間6min。作為對比，相同條件下在反應(yīng)器中未添加碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料，對模擬污染物甲基橙進行降解。試驗結(jié)果表明未經(jīng)碳包裹的二氧化鈦時，甲基橙的降解率為80%，添加碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料時，甲基橙的降解率為94%，說明在高壓脈沖放電產(chǎn)生紫外光的作用下，碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料具有很好的光催化作用，能大幅度提高放電反應(yīng)器的能量效率。實施例6 本實施例為以碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料為光催化，在脈沖放電水處理反應(yīng)器中的應(yīng)用方法。將多孔鈦合金材料作為氣液混合放電等離子體反應(yīng)器的陽極，5根不銹鋼針并聯(lián)為陰極，碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料在反應(yīng)器中添加量為3g/L，通過多孔陽極通入氧氣，對模擬污染物甲基橙進行降解。試驗條件電極間距為13mm，氧氣流量為0. 18m3/h，甲基橙溶液濃度為80mg/L，處理量為250mL，脈沖電壓為40kV，頻率為110Hz，降解時間6min。試驗結(jié)果表明甲基橙的降解率為97%，說明在脈沖放電產(chǎn)生紫外光的作用下，碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料具有很好的光催化作用，能大幅度提高放電反應(yīng)器的能量效率。實施例7 本實施例為以碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料為光催化，在脈沖放電水處理反應(yīng)器中的應(yīng)用方法。將多孔鈦合金材料作為氣液混合放電等離子體反應(yīng)器的陽極，5根不銹鋼針并聯(lián)為陰極，碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料在反應(yīng)器中添加量為6g/L，通過多孔陽極通入氧氣，對模擬污染物甲基橙進行降解。試驗條件電極間距為13mm，氧氣流量為0. 18m3/h，甲基橙溶液濃度為80mg/L，處理量為250mL，脈沖電壓為40kV，頻率為110Hz，降解時間6min。作為對比，相同條件下，投加等量的未包裹碳的二氧化鈦光催化劑，對模擬污染物甲基橙進行降解。試驗結(jié)果表明投加未包裹碳的二氧化鈦光催化劑時，甲基橙的降解率為95%，添加碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料時，甲基橙的降解率為98%，說明在脈沖放電產(chǎn)生紫外光的作用下，碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料具有很好的光催化作用，能大幅度提高放電反應(yīng)器的能量效率，而且碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料比未包裹的二氧化鈦光催化劑具有更好的光催化作用。本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式
。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權(quán)利要求
1.一種碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟A、在磁力攪拌下將150 500mg二氧化鈦和質(zhì)量濃度為1% 10%的蔗糖溶液按照質(zhì)量比1:2 10充分混合；B、將步驟A的混合溶液放入恒溫箱中，在100°C 150°C溫度下，反應(yīng)2 他，使蔗糖碳化；C、將步驟B中所得的物質(zhì)研磨成粉末后在400 700°C的空氣氣氛中恒溫煅燒2 6 小時，制得所需產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求1所述的一種碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟C中，物質(zhì)在瑪瑙研缽中研磨成粉末。
3.如權(quán)利要求1所述的一種碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟A中，二氧化鈦為Degussa P25 二氧化鈦。
4.如權(quán)利要求1所述方法制備的碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的應(yīng)用，其特征在于應(yīng)用于水處理反應(yīng)器中光催化或光電催化降解有機污染物。
5.如權(quán)利要求4所述的碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的應(yīng)用，其特征在于以高壓放電產(chǎn)生的紫外光和可見光作為激發(fā)光源進行光催化，光催化反應(yīng)步驟為將多孔鈦合金材料作為反應(yīng)器的陽極，多根不銹鋼針并聯(lián)為陰極，在反應(yīng)器中添加碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料，投加量為0. 5 6g/L，通過陽極通入流量為0. 2 0. 5m3/h的空氣或氧氣，對污染物進行降解。
6.如權(quán)利要求4或5所述的碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的應(yīng)用，其特征在于所述反應(yīng)器為脈沖放電反應(yīng)器或放電等離子體反應(yīng)器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料的制備方法在磁力攪拌下將150～500mg二氧化鈦和質(zhì)量濃度為1%～10%的蔗糖溶液按照質(zhì)量比1:2～10充分混合；將混合溶液放入恒溫箱中，在100℃～150℃溫度下，反應(yīng)2～6h，使蔗糖碳化；將所得的物質(zhì)研磨成粉末后在400～700℃的空氣氣氛中恒溫煅燒2～6小時，制得所需產(chǎn)品。本發(fā)明碳包裹納米二氧化鈦顆?？梢越鉀Q二氧化碳納米粉體分散、難分離等問題。碳包裹二氧化鈦復(fù)合材料比表面積大，吸附性好，減少了顆粒間的粘結(jié)，從而提高了二氧化鈦的催化效率。
文檔編號B01J21/06GK102198392SQ201110076660
公開日2011年9月28日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者伍鈞, 張延宗, 李遠偉, 楊剛, 楊新瑤, 沈飛, 漆輝, 熊曉燕, 肖鴻, 鄧仕槐, 韓月 申請人:四川農(nóng)業(yè)大學(xué)