[发明专利]一种环境友好型串联结构碳纳米管-锐钛矿复合催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及光催化剂技术领域，具体涉及一种环境友好型串联结构碳纳米管-锐钛矿复合催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

空气中的NO_x、SO_x和NH₃酸碱中和形成铵盐气溶胶粒子，成为PM₂.₅的主要组分。煤的脱硫处理使得SO_x得到有效控制，但NO_x仍得不到有效处理。传统处理NO_x的方法包括吸附、生物降解、催化还原、分解和氧化等，但都存在操作困难、成本高和产生二次污染等缺陷。而光催化氧化NO_x技术，通过半导体受光激发的电子和空穴，与空气和水产生活性物种，可将NO_x高效氧化，有着反应条件温和、成本低等诸多优点，成为目前的研究热点。TiO₂作为传统光催化剂，具有氧化能力强，无毒，稳定等优点，成为光催化氧化NO_x的首选材料。在锐钛矿相TiO₂中，(001)面为高能晶面，有利于光催化氧化反应。而在锐钛矿相TiO₂中，由于(001)和(101)两晶面能带结构中，能级存在有势差，这种势差驱使光生电子相(101)晶面转移，光生空穴向(001)面转移。光生电子和空穴在不同的晶面富集，有利于抑制电子和空穴的复合提高催化活性。但是，电子空穴的表面转移效率不高，也使得光催化活性不能得到大幅度的提高。碳纳米管作为一种一维导电材料，具有定向传导电子的作用，在TiO₂中引入紧密接触的碳纳米管，可以提供一个电子转移通道，使得电子空穴迅速分离，并各自发生反应，进而提高光催化NO_x氧化活性，对于空气净化和降低空气中的PM_2.5都具有重要意义。

微波化学合成法近年来已被广泛应用于纳米材料的合成。这主要是由于微波合成具有绿色环保、反应速度快、重现性好等优点。本专利通过离子液体微波水热法，利用微波对含有Ti源的水溶液进行快速均匀加热，在离子液体的诱导下，制备得到碳纳米管串联(001)晶面暴露的锐钛矿结构，是一种良好的紫外光响应型光催化剂。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术所存在的缺陷和市场需求，提供一种环境友好型串联结构碳纳米管-锐钛矿复合催化剂及其简单易行、成本低廉的制备方法和应用。

本发明环境友好型串联结构碳纳米管-锐钛矿复合催化剂的具体的制备方法，包括如下步骤：将碳纳米管超声分散于水中，加入钛源和含有氟离子液体，搅拌均匀，置于微波反应釜中，以10～30℃/min的升温速率升温5-10min，微波功率为800-1400w，初始压力为0-35bar，反应温度为80-200℃，反应时间为10-30min，冷却至室温后，洗涤到中性，离心并真空干燥，得环境友好型串联结构碳纳米管-锐钛矿复合催化剂。

上述方法制得的环境友好型串联结构碳纳米管-锐钛矿复合催化剂，其特征在于，001晶面暴露的锐钛矿相TiO₂被一维碳纳米管串联。

上述环境友好型串联结构碳纳米管-锐钛矿复合催化剂的制备方法中，碳纳米管与钛源中钛的物质的量之比1:0.5～1:5，其中最优为1:0.7

上述环境友好型串联结构碳纳米管-锐钛矿复合催化剂的制备方法中，所加入含有氟离子液体，为以下阴离子和阳离子两两配合的盐类，阳离子为咪唑类，如1-甲基咪唑、1-丁基-3-甲基咪唑、1-乙基-3-甲基咪唑、1-己基-3-甲基咪唑、1-胺乙基-3-甲基咪唑；阴离子为含氟阴离子，如四氟硼酸、六氟磷酸、三氟甲磺酸；优选为1-甲基咪唑四氟硼酸盐。

上述环境友好型串联结构碳纳米管-锐钛矿复合催化剂的制备方法中，所加入的含氟离子液体的量为0.01mL-2mL，优选为1mL

上述环境友好型串联结构碳纳米管-锐钛矿复合催化剂的制备方法中，所述的钛源包括硫酸氧钛、钛酸四丁酯、异丙醇钛、四氯化钛、三氯化钛和四氟化钛，优选为三氯化钛和四氟化钛。

上述环境友好型串联结构碳纳米管-锐钛矿复合催化剂用于光催化氧化NO，具体步骤如下：

将一定量(0.05-0.5g)的环境友好型串联结构碳纳米管-锐钛矿复合催化剂粉末平铺在反应器中，通入一定浓度(200-1000ppb)的NO和高纯空气的混合气，流动相气体流速为2000-8000sccm，光源利用365nm紫外灯。