[发明专利]一种负载型纳米TiO2催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新型水热合成领域，具体涉及一种负载型纳米TiO₂催化剂及其制备方法。

背景技术

纳米金属氧化物催化剂具有很大的比表面积，由于小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，表现出常规材料所不具备的新颖的物理、化学和生物学特性，在太阳能转换、电池、催化、传感等领域具有良好的性能及应用，从而受到广泛的研究。

在各种纳米金属氧化物催化剂中，TiO₂具有高光催化活性、生物和化学惰性，抗腐蚀能力强等特点，因此，TiO₂被认为是很有前景的材料而被用于基础和实际应用研究。纳米TiO₂催化剂的制备方法主要通过盐溶液或有机配合物前驱体来制取。传统方法分为共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热合成法等。但传统方法存在着催化剂易失活、易凝聚、难回收的缺点。将催化剂固定化即制备负载型纳米TiO₂催化剂既可以解决催化剂分离回收的难题，还可以克服悬浮相催化剂稳定性差和容易中毒的缺点，也是应用活性组分和载体的各种功能组合来设计催化反应器的理想途径。负载型纳米TiO₂催化剂的载体，常用的有玻璃布、活性炭、耐火砖、沙粒、空心玻璃珠、陶瓷、硅胶等。采用此类载体进行催化剂的固定，可导致催化剂的吸附作用及吸光效率降低，从而降低了催化剂活性。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种负载型纳TiO₂催化剂及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：所述负载型纳米TiO₂催化剂用细菌纤维素作为生物模版，在水抑制剂和沉淀剂作用下缓慢加入二氧化钛前驱体，通过水热合成法，具体包括以下步骤：

第一步，将湿态细菌纤维素漂洗后加入到碱溶液中加热处理，再用酸溶液进行中和，然后用去离子水洗涤直至中性；

第二步，将第一步所得产物分别置于不同浓度的乙醇溶液中浸泡，通过溶剂交换除去细菌纤维素表面的无序水，最后过滤分离；

第三步，将第二步所得的细菌纤维素加入到溶剂中，然后加入水抑制剂和沉淀剂，再缓慢加入二氧化钛前驱体，不断搅拌；

第四步，把第三步的混合溶液超声分散均匀，再置于水热反应釜中，放入烘箱中120-200℃温度下反应；

第五步，反应结束后，将所得产物过滤，用无水乙醇和去离子水分别洗涤数次，最后将产物干燥得到负载型纳米TiO₂催化剂。

其中，第一步中碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠中的一种或几种的混合，碱溶液质量浓度为1%-4%。漂洗所用过氧化氢质量浓度1‰-10‰。

第二步中的乙醇溶液中乙醇体积浓度从50%到90%逐步增加（逐步除去细菌纤维素表面的无序水）。

第三步中反应溶剂是去离子水和乙醇混合溶液。

第三步中水抑制剂选用乙酰丙酮（水抑制剂的作用是防止前驱体的快速水解）；沉淀剂选用尿素、氢氧化钠、氨水、氢氧化钾中的一种，优选尿素或氨水（沉淀剂的作用是为了使得纳米TiO₂均匀附着在细菌纤维素表面）；二氧化钛前驱体选用氯化钛、硫酸钛、钛酸四丁酯中的一种，优选钛酸四丁酯。

第四步中反应温度优选150～200℃，反应时间是12-48h。

第五步中用去离子水洗涤的次数为1-5次，用乙醇溶液洗涤的次数为1-3次，干燥温度为60-120℃。

原理说明：

细菌纤维素-水系统中存在着定向排布水分子层，即在多羟基基团的纤维表面由于氢键的作用下使得纤维表面包裹着一到数个水分子形成的定向排布的水分子层。在定向排布水分子层外面可形成一定的过渡层，此层中，水分子由有序态向无序态过渡，并且在过渡层外面是大量水分子形成的无序水。为此，通过溶剂交换法，去除纤维表面的无序水和过渡层水，保留着纤维表面羟基作用下的有序水分子层。在此基础上，把前驱体加入到含细菌纤维素的混合溶液体系中，前驱体在纤维表面的有序水作用下，定向的水解形成氢氧化物聚集体，在高温高压的水热合成条件发生聚集体的分子间脱水，并生成纳米金属氧化物，纳米粒子在与纤维表面羟基作用力下定向排布。