[发明专利]TiO2单晶纳米棒-活性碳纤维复合光催化剂、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料及光催化降解有机污染物技术领域，具体是涉及一种TiO₂单晶纳米棒-活性碳纤维复合光催化剂、制备方法及其应用。

背景技术

多孔碳质材料因其具有较大的比表面积和良好的吸附性而被广泛的应用于水体污染物的处理及室内空气净化，但是污染物只是暂时转移到这些吸附材料中，并未被降解，而吸附材料最终达到吸附饱和状态，重复使用吸附材料时仍需要对其进行循环再生处理。

锐钛矿相纳米TiO₂具有独特的电子结构，其在吸收光子后产生强氧化性的空穴，是一种具有深度氧化作用的光催化材料，能将有机污染物彻底氧化分解成无毒的小分子H₂O和CO₂，成为近年来光催化剂材料研究的热点。但是，粉体TiO₂纳米光催化剂在降解有机污染物的实际应用中仍存在着缺陷：其一，只有当污染物吸附到催化剂材料表面时才能被有效的分解，而与大部分多孔碳质材料相比，TiO₂纳米光催化剂的吸附性不佳，从而制约了TiO₂对污染物的降解速率；其二，粉体TiO₂纳米光催化剂易混入被净化的水样中，回收困难，增加了后期的催化剂沉淀清除步骤，增加环保成本甚至造成二次污染，因此，为光催化剂提供合适的载体具有深远的环境价值和经济意义。

在现有的负载型光催化剂的研究中，常用的载体材料有：沸石、蒙脱石、硅藻土、云母、凹凸棒石、合成分子筛、漂珠、玻璃、玻璃纤维毡、活性碳等。在这些常用载体中，凹凸棒土、云母、合成分子筛、漂珠等粉体载体因其特殊的表面特性（如凹凸棒土的纳米管结构、云母的片层结构），具有较高的负载量并且结合牢固，但载体本身仍然是粉体，使用过程中仍然存在回收困难的问题；玻璃载体回收容易，但比表面积小，负载量不高，并且TiO₂颗粒膜的结合力不高，容易脱落。采用活性碳纤维负载TiO₂光催化剂用于降解有机污染物及净化室内空气，在解决碳质吸附材料易达到吸附饱和不足的同时，还克服了粉体TiO₂难回收的缺点，实现增强碳纤维的强吸附性和TiO₂光催化活性的协同效应，因此，寻求一种简单易行、经济实用的TiO₂-活性碳纤维复合光催化剂的制备方法成为该材料的研究焦点之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了解决碳质类材料易达到吸附饱和的同时，还解决了粉末TiO₂在用于光催化降解有机污染物时难以回收、易造成二次污染的问题，提供一种在活性碳纤维表面形成具有良好光催化性能的TiO₂单晶纳米棒层，用以制备比表面积大、吸附与催化协同效果佳、重复使用性好、易回收的负载型纳米复合光催化剂，即该TiO₂单晶纳米棒-活性碳纤维复合光催化剂的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

TiO₂单晶纳米棒-活性碳纤维复合光催化剂的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：

将活性碳纤维按需裁剪后，依次于乙醇、水中超声清洗5～30min，干燥后获得表面洁净的负载基体；

钛源分别于乙醇、水中超声清洗5～30min，干燥备用；

在反应釜中配置浓度为1～50μM的含F^-的水溶液，搅拌条件下滴加酸溶液，调整溶液的pH值低于5；

依次将钛源、负载基体加入上述溶液中，密封后80℃～150℃保温1～20h，反应结束后冷却至室温，清洗并烘干，实现TiO₂单晶纳米棒在活性碳纤维上的负载，得TiO₂单晶纳米棒-活性碳纤维复合光催化剂。

作为优选，所述钛源为金属钛。

作为优选，所述活性碳纤维为毡状活性碳纤维，比表面积高于500m²/_g，它具有化学性能稳定、孔隙率高、吸附性强等优点。

作为优选，所述酸溶液选自硫酸、盐酸、硝酸、醋酸中的一种或几种的混合物。

作为优选，所述含F^-的水溶液选自氟化胺、氢氟酸、氟化钾、氟化钠中的一种或几种。

本发明的另一目的，提供一种前述方法制备的TiO₂单晶纳米棒-活性碳纤维复合光催化剂。