[发明专利]碳纳米管负载锐钛矿型纳米二氧化钛的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化钛的制备方法技术领域，尤其涉及一种碳纳米管负载二氧化钛的制备方法。

背景技术

锐钛矿型二氧化钛的带隙能为3.2eV，是一种半导体的光催化剂。二氧化钛因无毒、化学性质稳定、可重复使用、催化活性高、催化简单有机物彻底、不引起二次污染等优点，在污水处理、空气净化等领域有广泛应用。如利用锐钛矿型二氧化钛氧化分解有机物、还原重金属离子、杀灭细菌和消除异味，是一种具有广阔应用前景的绿色环境治理技术。利用纳米二氧化钛处理废水主要缺点是容易团聚，造成催化效率低，反应过程需要不断搅拌，使用后难以回收，反应过程容易损耗，需要额外分离工序等。因此，常常将纳米二氧化钛固定在载体上。常用的载体材料有塑料、陶瓷、玻璃、泡沫镍和碳材料等。

碳纳米管因其独特的电学、电子结构及管状结构，使其具有机械性能、电学性能、热学、化学稳定性、催化和量子特性。碳纳米管的比表面积、机械强度大，化学性质稳定，能有效地阻止纳米颗粒的团聚，是优良的载体材料。碳纳米管具有一维的电子结构，电子在金属性的碳纳米管里面是弹道输运，这使得它们可以承载很高的电流，具有载体材料特有的电化学特性。

碳纳米管不仅能作为载体材料还能发挥协同催化作用，有利于增强复合物的活性。碳纳米管在复合材料中有助于光生电子和空缺分离，而且光电子容易在碳纳米管表面自由移动。碳纳米管比表面积小，容易分散二氧化钛颗粒，使其难以团聚。二氧化钛粒径越小，电子与空穴的复合几率越小，电荷分离效果越好，从而导致光催化活性提高。如利用碳纳米管负载二氧化钛，其处理污水和空气、产氢、二氧化碳光还原活性相对同等粒度二氧化钛高。单壁碳纳米管负载二氧化钛能使光转化效率从7％增加到15％。

碳纳米管负载二氧化钛可采用溶胶-凝胶法、电泳沉积、电喷射、化学气相沉积。尽管这些方法都能很好将二氧化钛负载在碳纳米管上，但存在工艺复杂、产生的废酸液多、负载纳米颗粒不均匀等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种制备工艺简单、不产生废酸、纳米颗粒均匀、能实现工业化、产品质量稳定的碳纳米管负载锐钛矿型纳米二氧化钛的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种碳纳米管负载锐钛矿型纳米二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：

(1)超声协同氧化处理：将原料碳纳米管加入强氧化剂中，再加入酸液调节pH值至酸性环境，在25℃～65℃条件下进行超声氧化处理，制备得到碳纳米管悬浊液；

(2)一步水热合成：将上述步骤(1)制得的碳纳米管悬浊液，用碱液(碱优选自氢氧化钠、氨水和碳酸钠中的至少一种)调节pH值为8～12，再加入含钛化合物，搅拌(10～30min)后转移到反应釜中，加热到120℃～200℃后保温进行一步水热合成反应，反应完毕后，取出在空气中自然冷却至室温，洗涤，真空干燥(优选60℃～100℃下烘干12～30小时)，即得碳纳米管负载锐钛矿型纳米二氧化钛。

上述的制备方法，优选的：所述步骤(1)中，强氧化剂为双氧水溶液，双氧水溶液浓度为3～9mol·L^-1；所述碳纳米管与双氧水的质量比控制为1∶200～320。

上述的制备方法，优选的：所述步骤(1)中，调节pH值至酸性环境是指调节pH值至2～6。

上述的制备方法，优选的：所述碳纳米管的直径为30～50nm。

上述的制备方法，优选的：所述超声氧化处理时的处理时间控制为30～180min(更优选60～120min)，超声功率控制为50～100W。

上述的制备方法，优选的：所述步骤(2)中，碳纳米管悬浊液中的氧化处理碳纳米管与含钛化合物的质量比控制为1∶(0.1～1)。

上述的制备方法，优选的：所述含钛化合物选自钛酸丁酯、硫酸钛、二氧化钛、四氟化钛、氟钛酸铵和硫酸氧钛中的至少一种。

上述的制备方法，优选的：所述一步水热合成反应的保温时间控制在1～4h。

本发明通过超声协同双氧水产生羟基自由基氧化碳纳米管，实现碳纳米管表面产生亲水性的羟基、羧基、羰基基团，这些基团与含钛化合物结合，在碱性条件下水热合成产生锐钛矿型纳米二氧化钛。

与现有技术相比，本发明克服了现有技术中碳纳米管前处理使用强酸氧化、破坏碳纳米管管壁结构、且制备过程产生大量废酸溶液、工序较多等缺陷，本发明的优点特别体现在：