[发明专利]磺化煤负载二氧化钛光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光催化剂技术领域，涉及一种磺化煤负载TiO₂光催化剂及其制备方法。 

背景技术

光催化技术是一项新的环境治理技术，在废水降解中，具有能耗低、操作简便、反应条件温和、可减少二次污染和可连续操作等优点，备受关注。TiO₂光催化材料是当前最有应用潜力的一种光催化剂。TiO₂作为耐久的光催化剂已经被应用在处理各种环境问题上。但是目前纳米晶体TiO₂并没有被大规模使用，主要是因为其昂贵的成本，复杂的制备工艺和有可能产生的二次污染等问题。 

目前纳米TiO₂的制备方法中大多是采用马弗炉高温煅烧，而高温煅烧有以下两点不足：第一，高温煅烧可以促进纳米TiO₂晶型转化[¹]和强化晶体结晶度，但也易造成晶体团聚严重和使纳米TiO₂晶粒的尺寸变大，使比表面积减少。高的结晶度有利于避免电子-空穴对的复合，同时高的比表面积有利于吸附被降解物质，两者都能提高纳米TiO₂的光催化效率^[2]，但是高温煅烧提高了结晶度却降低了比表面积。第二，高温煅烧不仅能耗大，而且增加了纳米TiO₂的生产成本，限制了大规模投资应用，而且还限制了一些低热阻的材料（如塑料、木材、PET等有机聚合物）作为负载基底材料的使用^[3]。 

为解决上述问题，有不少学者^[3-7]已经研究了制备纳米TiO₂薄膜。薄膜的制备方法很多，比如液相沉积法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法（CVD）、热分解法、磁控溅射法等，但薄膜前驱体的钛源通常为有机钛源，不仅加大了制备纳米TiO₂的成本，而且为了去除纳米TiO₂溶胶悬浮液制备过程中引入的有机物，以及强化纳米TiO₂在基底上负载的牢固性，通常需要在450℃以上的高温烧结^[3]，因此在实际应用中一定的限制了纳米TiO₂大规模的生产。 

传统的光催化研究一般在悬浮态光催化反应系统中进行。由于光催化剂以粉末状的形态存在于反应体系中，接触面积大、传质效果好，因此光催化效率较高。但是目前的商业用的二氧化钛颗粒细小且比重较小，使得传统的过滤、沉淀、絮凝、离心等分离方法很难对光催化剂进行分离、回收和再生利用，而且由于粉末状的纳米TiO₂颗粒在水溶液中易于凝聚、不易沉降，催化剂难以得到回收，催化剂活性成分损失大，悬浮态的TiO₂颗粒对光的吸收和阻挡会影响光源的辐照深度等原因，目前悬浮态TiO₂光催化系统主要应用于实验室的研究，很难进行规模化的工业应用，不利于催化剂的循环再生和再利用^[8]。目前很多研究工作倾向于将光催化剂固定化，既可以解决催化剂分离回收难的问题，还可以克服悬浮相催化剂稳定性差和容易中毒的缺点^[9]，并在此基础上进行改良工艺，以期提高光催化效率^[10-14]。因此S.X.Liu^[15]等人指出，载体的选择应至少满足以下两个条件：第一，纳米晶体TiO₂在载体上具有良好的分散性能，以提高光照效率；第二，载体应具有良好的吸附 性能。 

本发明从纳米TiO₂在制备和使用过程中存在的问题着手，在样品整个制备过程中不经过高温煅烧，采用微波-液相沉淀法制备以半有机质为基底的负载型纳米晶体TiO₂光催化剂，微波加热与传统加热方式相比具有加热速度快，均匀加热，选择性加热，节能高效，易于控制，低温杀菌、无污染等特点^[16]，以期解决上述存在问题。 

TiO₂作为光催化剂具有极大发展前景，近年来，如何在低温下制备具有高催化活性的锐钛矿纳米晶体TiO₂已经成为人们研究的热点。目前被选用的纳米TiO₂载体多为无机物，如：玻璃球、氧化铁、氧化铝、硅藻土、海泡石等。若能实现低温下制备纳米TiO₂，则选用有机质或半有机质作为载体成为可能。与无机物相比，选择含有磺酸根离子的有机载体可以提高纳米TiO₂与载体的结合力，使其更牢固的负载到载体上，从而不易出现在降解废水过程中出现脱落的现象。