技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光催化材料和有機污染物光降解領(lǐng)域，具體涉及活性炭摻雜二氧化鈦納米光催化劑的制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

TiO₂具有良好的生物、化學(xué)、光化學(xué)穩(wěn)定性，已被廣泛應(yīng)用于廢水處理、有害氣體凈化、化妝品制造、建筑材料、紡織用品、涂料、太陽能存儲與轉(zhuǎn)換、激光化學(xué)轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域。但是TiO₂是寬帶導(dǎo)體，具有較寬的禁帶寬度（3.0~3.2eV）,只有在近紫外光區(qū)才有活性。純TiO₂對太陽光的利用率為4%，所以，近年來為了提高TiO₂的光電子效應(yīng)和對太陽光的利用率，采用金屬摻雜、染料的光敏化、貴金屬的沉積等方法對TiO₂進行改性，但是由于染料和金屬在自然水體中均有明確限制，甚至有的重金屬含有明顯毒性，用于光催化技術(shù)有風(fēng)險。

活性炭是一種黑色多孔的固體炭質(zhì)，由煤通過粉碎、成型或用均勻的煤粒經(jīng)炭化、活化生產(chǎn)，比表面積較大，具有較強的吸附性能，為用途極廣的一種工業(yè)吸附劑并且活性炭具有對光較強的吸收性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明針對純TiO₂禁帶寬度寬、太陽光利用率低的問題，提供一種活性炭摻雜二氧化鈦納米光催化劑的制備方法及應(yīng)用，利用活性炭表面積較大，對可見光顯著吸收的特性對TiO₂進行改性，制備得到的催化劑具有較高的光催化活性。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

活性炭摻雜二氧化鈦納米光催化劑的制備方法，包括如下步驟：

（1）將無水乙醇、冰醋酸和鈦酸丁酯按體積比為3:0.5~1:0.5~1混合均勻，再向混合液中逐滴加入乙醇水溶液，攪拌0.5~1.0小時，備用；

（2）將干燥過的活性炭溶于超純水中，離心分離，取上層液體逐滴滴入步驟（1）制備得到的溶液中，攪拌0.5~1.0小時，備用；

（3）將步驟（2）制備得到的溶液轉(zhuǎn)入微波反應(yīng)器中進行微波反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物離心分離，得到的固體清洗、干燥、研磨，即得活性炭摻雜二氧化鈦納米光催化劑。

進一步地，步驟（1）中，所述乙醇水溶液中乙醇與水的體積比為1:1~2。

進一步地，步驟（2）中，活性炭的干燥溫度為60~80℃，干燥時間為12~24小時。

進一步地，步驟（2）中，所述上層液體與步驟（1）制備得到的溶液體積比為1:4~8。

進一步地，步驟（3）中，微波反應(yīng)的條件為：微波功率120~160W，反應(yīng)15~30分鐘。

進一步地，步驟（3）中，固體干燥溫度為60~80℃，干燥溫度為12~24小時。

所述制備方法制備得到的活性炭摻雜二氧化鈦納米光催化劑在降解水中有機污染物的應(yīng)用。

有益效果：

（1）本發(fā)明采用微波法制備活性炭摻雜的二氧化鈦納米光催化劑，原料廉價易得，制備過程操作簡單，合成方便；

（2）制備得到的活性炭摻雜二氧化鈦納米光催化劑相對于純的二氧化鈦光催化劑具有較高的可見光活性，光催化效率更高；

（3）制備得到的活性炭摻雜二氧化鈦納米光催化劑相對于純的二氧化鈦光催化劑對可見光的吸收更好，更加有利于二氧化鈦產(chǎn)生更多光電空穴對。

附圖說明

圖1為試驗得到的活性炭改性二氧化鈦光催化劑的SEM照片；

圖2為試驗三下的活性炭改性二氧化鈦光催化劑紫外可見漫反射譜圖（DRS圖）；

圖3為試驗三下的活性炭改性二氧化鈦光催化劑熒光光譜圖（PL圖）；

圖4為實驗四中活性炭改性二氧化鈦光催化劑光催化降解活性曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實施例。本發(fā)明采用的溶劑均為分析純級，所述方法如無特別說明均為常規(guī)方法。

實施例1

活性炭摻雜二氧化鈦納米光催化劑的制備方法，包括如下步驟：

（1）將60ml無水乙醇、20ml冰醋酸和20ml鈦酸丁酯混合均勻，再向混合液中逐滴加入乙醇水溶液（乙醇與水的體積比為1:1），持續(xù)攪拌0.5小時，備用；

（2）將10 mg活性炭放在烘箱中60℃干燥24小時后，溶于50 ml超純水中，超聲分散，取上層液體逐滴滴入步驟（1）制備得到的溶液中，攪拌0.5小時，備用；

（3）將步驟（2）制備得到的溶液轉(zhuǎn)入微波反應(yīng)器中，在120w的微波功率下，反應(yīng)15分鐘，將最終獲得的產(chǎn)品離心分離，用超純水與無水乙醇分別清洗三次，放在烘箱中60℃干燥12小時，研磨，即得1%活性炭摻雜的二氧化鈦納米光催化劑（1% AC@TiO₂光催化劑）。

采用掃描電子顯微鏡對制得的可見光響應(yīng)型的1% AC@TiO₂光催化劑進行電鏡掃描得到如圖1所示的SEM圖，從圖1可以看出制得的可見光響應(yīng)型的1% AC@TiO₂光催化劑為納米片，表面有少量活性炭覆蓋。

采用全自動熒光光譜儀對制得的可見光響應(yīng)型的1%AC@TiO₂光催化劑進行表征，得到如圖3所示的PL圖，從圖3可以看出實施例1制得的可見光響應(yīng)型的1%AC@TiO₂光催化劑相對于純TiO₂在激發(fā)波長下，產(chǎn)生的激發(fā)峰更低，因此更加有利于光電子與空穴分離，有助于對于污染物的降解，這是活性炭具有有效傳導(dǎo)光電子能力的效果?；钚蕴扛男远趸伖獯呋瘎┡c二氧化鈦光催化劑相比，熒光強度明顯降低，說明通過活性炭改性二氧化鈦光催化劑有效提高了光電子的分離效率。

采用紫外可見漫反射光譜儀對制得的可見光響應(yīng)型的1%AC@TiO₂光催化劑進行電鏡掃描，得到如圖2所示的DRS圖，從圖2可以看出實施例1制得的可見光響應(yīng)型的1%AC@TiO₂光催化劑相對于純TiO₂光催化劑在可見光區(qū)對光的吸收明顯增強，因此產(chǎn)生更多光電子與空穴分離，有助于對于污染物的降解。

實施例2

活性炭摻雜二氧化鈦納米光催化劑的制備方法，包括如下步驟：

（1）將60ml無水乙醇、20ml冰醋酸和20ml鈦酸丁酯混合均勻，再向混合液中逐滴加入乙醇水溶液（乙醇與水的體積比為1:1），持續(xù)攪拌0.5小時，備用；

（2）將20 mg活性炭放在烘箱中60℃干燥24小時后，溶于超純水中，超聲分散，取上層液體逐滴滴入步驟（1）制備得到的溶液中，攪拌0.5小時，備用；

（3）將步驟（2）制備得到的溶液轉(zhuǎn)入微波反應(yīng)器中，在120w的微波功率下，反應(yīng)15分鐘，將最終獲得的產(chǎn)品離心分離，用超純水與無水乙醇分別清洗三次，放在烘箱中60℃干燥12小時，研磨，即得1%活性炭摻雜的二氧化鈦納米光催化劑（2% AC@TiO₂光催化劑）。

實施例3

活性炭摻雜二氧化鈦納米光催化劑的制備方法，包括如下步驟：

（1）將60ml無水乙醇、20ml冰醋酸和20ml鈦酸丁酯混合均勻，再向混合液中逐滴加入乙醇水溶液（乙醇與水的體積比為1:1），持續(xù)攪拌0.5小時，備用；

（2）將4 mg活性炭放在烘箱中60℃干燥24小時后，溶于超純水中，超聲分散，取上層液體逐滴滴入步驟（1）制備得到的溶液中，攪拌0.5小時，備用；

（3）將步驟（2）制備得到的溶液轉(zhuǎn)入微波反應(yīng)器中，在120w的微波功率下，反應(yīng)15分鐘，將最終獲得的產(chǎn)品離心分離，用超純水與無水乙醇分別清洗三次，放在烘箱中60℃干燥12小時，研磨，即得1%活性炭摻雜的二氧化鈦納米光催化劑（0.4 % AC@TiO₂光催化劑）。

實施例4

活性炭摻雜二氧化鈦納米光催化劑的制備方法，包括如下步驟：

（1）將60ml無水乙醇、20ml冰醋酸和20ml鈦酸丁酯混合均勻，再向混合液中逐滴加入乙醇水溶液（乙醇與水的體積比為1:1），持續(xù)攪拌0.5小時，備用；

（2）將2 mg活性炭放在烘箱中60℃干燥24小時后，溶于超純水中，超聲分散，取上層液體逐滴滴入步驟（1）制備得到的溶液中，攪拌0.5小時，備用；

（3）將步驟（2）制備得到的溶液轉(zhuǎn)入微波反應(yīng)器中，在120w的微波功率下，反應(yīng)15分鐘，將最終獲得的產(chǎn)品離心分離，用超純水與無水乙醇分別清洗三次，放在烘箱中60℃干燥12小時，研磨，即得1%活性炭摻雜的二氧化鈦納米光催化劑（0.2 % AC@TiO₂光催化劑）。

實施例5

將實施例1~4制備得到的AC@TiO₂光催化劑用于氧化處理亞甲基藍溶液。

降解步驟為：

步驟（1）：準(zhǔn)確稱取20mg的甲基藍，將其溶于超純水中，并定容至1000ml，制得20mg/L的亞甲基藍溶液；

步驟（2）：用移液管準(zhǔn)確移取50ml步驟（1）得到的亞甲基藍溶液至反應(yīng)器中，并分別加入40mg摻雜質(zhì)量分數(shù)為純活性炭（PAC）、TiO₂光催化劑和1% AC@TiO₂光催化劑，反應(yīng)體系控制在25℃，分別調(diào)節(jié)催化劑濃度為0.8 g/L，在暗光處先吸附平衡半小時，使其達到吸附脫附平衡；

步驟（3）：以300w氙燈作為可見光源，將步驟（2）所得溶液在光照下進行光催化降解反應(yīng)，每間隔5~30min時間取樣，并用紫外-可見分光光度法測量亞甲基藍吸光度，并計算其轉(zhuǎn)化率。

結(jié)果如圖4所示，可以看出當(dāng)催化劑為1% AC@TiO₂時，催化效果最好。當(dāng)活性炭含量不高時，隨著活性炭含量的升高，復(fù)合材料的光催化效果逐漸增強，活性炭含量1%的時候效果最好；當(dāng)活性炭含量為2%時，復(fù)合材料光催化活性明顯降低，是由于活性炭過量導(dǎo)致光催化活性位點被覆蓋，導(dǎo)致光催化效果明顯降低，因為活性炭的引入對材料對可見光的吸收加強，并且活性炭還可以傳導(dǎo)二氧化鈦導(dǎo)帶的電子，二氧化鈦的光生電子與空穴分離效果增強。