[发明专利]磷酸功能化碳纳米管-二氧化钛复合纳米光催化剂的构筑方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光催化剂的构筑方法。

背景技术

二氧化钛由于其具有光催化氧化能力强，无毒廉价，制备简单等特点一直都是光催化剂的研究热点。但是其光生载流子复合几率较高这一瓶颈严重限制了其性能的进一步提高。针对这一瓶颈人们开展了大量工作，其中以碳纳米管为代表的碳基材料成为了人们关注的热点。科研工作者们近些年来相继开展了大量关于碳纳米管和二氧化钛复合的工作，其中包括合成方法的开发和活性机制的研究等。在已有的研究成果中，虽然合成方法众多，但由于工艺复杂，设备条件苛刻，并且所得的产品活性差等因素使得人们仍在不断研究简单有效，适用于工业化生产的合成方法。针对碳纳米管-二氧化钛复合体系中的碳纳米管的作用机制人们也开展了大量工作，但针对光催化反应体系下，碳纳米管作为电子与氧气反应区的简单有效的改性方法很少被提及。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有碳纳米管和二氧化钛复合光催化剂的活性差的技术问题，提供了一种磷酸功能化碳纳米管-二氧化钛复合纳米光催化剂的构筑方法。

磷酸功能化碳纳米管-二氧化钛复合纳米光催化剂的构筑方法按照以下步骤进行：

一、将碳纳米管加入到浓硝酸中，在120℃～140℃的条件下回流4～8小时，离心、洗涤、烘干，得到酸化碳纳米管；

二、将酸化碳纳米管加入到浓度为0.1mol/L～1.0mol/L的磷酸水溶液中，搅拌20min～60min，超声30min～60min，然后离心、洗涤、干燥、焙烧、研磨，得到磷酸功能化碳纳米管；

步骤二中酸化碳纳米管与磷酸水溶液的质量比为1∶20～30；

三、将0.05～0.5质量份磷酸功能化碳纳米管加入到40～60质量份钛酸丁酯中，然后按照先搅拌10min～30min再超声10min～30min的顺序重复2～5次，然后将混合液再加入到30～50质量份的甲苯中，搅拌10min～30min，得到有机相；

四、将有机相放入反应池，然后再将反应池放入盛有蒸馏水的高压反应釜中，在110℃～130℃的条件下反应4h～8h，然后冷却至室温，取出反应池内的膏体，将膏体在120℃～130℃蒸馏，然后干燥、研磨，即得磷酸功能化碳纳米管-二氧化钛复合纳米光催化剂。步骤一所述的浓硝酸的质量分数为65％。

本专利不但利用磷酸对碳纳米管实现了功能化，大幅改善了该复合体系中碳纳米管的作用，而且进一步发展了相分离水解-溶剂热法，使其成功应用于碳纳米管-二氧化钛复合体的构筑，最终得到了光催化活性较高且普适性强的复合光催化剂。

本发明中利用磷酸对碳纳米管实现了功能化，提高了碳纳米管对氧气的吸附能力，进而增强了复合体系中碳纳米管的促进光生载流子分离、反应的能力。发展了相分离水解-溶剂热法，成功解决了合成过程中碳纳米管在有机相中的分散，并选则了合适的反应温度，实现了碳纳米管和二氧化钛的有效复合。本发明合成磷酸功能化碳纳米管-二氧化钛复合纳米光催化剂的方法反应条件温和、工艺简单、所得到的催化剂性能优异，适合工业化生产。

利用本发明合成磷酸功能化碳纳米管-二氧化钛，碳纳米管经过硝酸酸化后表面会生成一定量的-COOH和-OH等极性基团，再通过磷酸功能化过程会使得碳纳米管表面酸性增强，因此更利于对氧气的吸附从而促进氧气捕获电子。复合体合成过程中，使表面呈极性的磷酸功能化碳纳米管在非极性的有机相中均匀分散是实现碳纳米管与二氧化钛有效复合的关键。利用钛源-钛酸丁酯先对磷酸功能化碳纳米管进行预包覆，实现磷酸功能化碳纳米管表面的非极性化，从而解决了有机相的分散问题，同时保证了其与二氧化钛最大程度上的有效复合。

基于以上分析，本项发明得到的磷酸功能化碳纳米管-二氧化钛具有较高的光生载流子分离、反应效率，是较为理想的光催化剂。

附图说明

图1是试验一中酸化碳纳米管及磷酸功能化碳纳米管的P2p的XPS图，图中a表示酸化碳纳米管的P2p的XPS图，b表示0.1mol/L磷酸溶液功能化的碳纳米管，c表示0.5mol/L磷酸溶液功能化的碳纳米管，d表示1.0mol/L磷酸溶液功能化的碳纳米管；

图2是试验一中磷酸功能化碳纳米管的O₂-TPD图，图中a表示0.5mol/L磷酸溶液功能化的碳纳米管，b表示酸化碳纳米管；