[发明专利]磁性铁担载二氧化钛纳米棒光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁性铁担载二氧化钛纳米棒光催化剂的制备方法。适用于空气净化，水净化，抗菌杀菌，自清洁，建筑装璜材料等与人们生活息息相关的领域。

背景技术

近年来，TiO₂作为一种半导体光催化剂，由于其氧化能力强、价格低廉、无毒和长期光化学稳定性而在环境净化方面引起了广泛的关注。但是TiO₂光利用率不高、颗粒细微、在水溶液中不易沉降、难以回收和再利用等问题，限制了其实际应用。

为解决上述问题，大量文献报道了利用金属改性以提高TiO₂光催化活性的方法，比如Pt，Ag，Au，Ru和Pd等贵金属的担载或掺杂。但是这些贵金属的成本较高以及合成方法相对复杂，不适合大规模的工业化应用。Fe做为价格低廉的金属改性原料常见于报道。但是，Fe或者Fe离子的存在通常会影响TiO₂的催化活性，在某些情况下甚至会导致TiO₂失活。如何利用Fe元素的改性以达到提高TiO₂光催化活性的目的，是当前研究的一个热点和难点。

限制TiO₂实际应用的另一个缺点是光催化反应完成后，需要采用多种途径从废液中提取TiO₂纳米颗粒。这一过程很复杂，所以很多文献报道了TiO₂固定化的方法，但是固定后的催化剂的活性要比淤浆体系小很多。由于磁性催化剂可以利用外界磁场将催化剂有效的回收利用，因此也有研究者通过溶胶凝胶法将TiO₂包覆于Fe₃O₄之上，制备出新型的具备磁性的核壳型催化剂。虽然此类催化剂能够被外界磁场吸引并加以分离，但是这些改性后的催化剂的活性一般都很低。

二氧化钛纳米棒(NR)作为一种新型的纳米结构材料，具有许多独特的性质，例如其直径在4nm以下，棒长在30nm以上，比通常的二氧化钛纳米粒子的比表面积高出2-3倍，展示出广阔的应用前景，有望在一定程度上提高二氧化钛的光催化活性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种创新型的磁性铁担载二氧化钛纳米棒光催化剂的制备方法，该光催化剂与商用德古赛(Degussa P-25)TiO₂相比应具有更高的光催化活性，大约为P-25TiO₂的五倍左右；具有铁磁性，可被外界磁场有效吸附及分离。

本发明所采用的技术方案是：一种磁性铁担载二氧化钛纳米棒光催化剂的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)二氧化钛纳米粒子的前处理，用TiO₂来表示，

将200-600mg的二氧化钛纳米粒子加入到40-80ml，浓度为10-15mol/L的强碱溶液中，以500-1000rpm的转速磁力搅拌处理10-14h后，在超声波清洗器中振荡0.5h-1h；

(2)二氧化钛纳米棒的制备，用NR来表示，

前处理：

(i)、水热反应，将步骤(1)制得的混合溶液，在超声波振荡后立即倒入水热反应釜中，于100-170℃下加热处理24-48h，反应后待冷却至室温，取出反应物置于离心管中待用，

(ii)、用水、酸清洗过程，在离心管中加入一定量的纯水，并用药匙打散后在3000-4500rpm的转速下离心5-10min，倒出上层清液；如此反复清洗直至清液的pH值为中性；然后加入酸溶液，用同样的方法将pH值洗至1-3；最后用纯水再次清洗至pH为中性待用，后处理：

将步骤(2)-(ii)得到的二氧化钛纳米管在500℃下煅烧3h后，得到二氧化钛纳米棒，用NR表示；

(3)二氧化钛纳米棒表面担载Fe的过程，用Fe/NR来表示，

准确称量20-28mg FeSO₄·7H₂O，在氮气保护下，溶于8-26mL H₂O中，再加入20-50mL无水乙醇，1-5mL浓度为8-18mg/mL的聚乙二醇溶液以及50-70mg NR粉末，剧烈搅拌8-12h后，利用滴定管加入30-50mL浓度为0.005-0.01mol/L的硼氢化钾溶液，滴速控制在每滴2-7秒左右，观察在滴定过程中，溶液逐渐由乳白色转为灰色，进而转为淡黑色，滴定完成后，继续反应3-6h，所得凝胶状催化剂用蒸馏水和无水乙醇洗涤，最后在60-90℃下氮气保护干燥3-6h，即得淡黑色Fe/NR纳米粒子。