[发明专利]一种三维多孔二氧化钛泡沫块体及其制备方法

说明书

本发明涉及一种三维多孔二氧化钛泡沫块体及其制备方法，包括：将质子化相层状碱金属钛酸盐置于含有小分子有机胺的溶液中，经搅拌后得到氧化钛纳米片剥离液；将所得氧化钛纳米片剥离液经过冷冻干燥，得到所述三维多孔二氧化钛泡沫块体。本发明的三维多孔二氧化钛泡沫孔径分布均匀，孔体积较大，具有十分优异的亲水性能和一定的机械强度，是金属离子吸附的合适材料，可应用于污水净化领域。

技术领域

本发明涉及一种三维多孔二氧化钛泡沫块体及其制备方法和应用，具体涉及一种由氧化钛纳米片胶体制备三维多孔二氧化钛泡沫块体的方法。

背景技术

水是生命之源，为人类生活、生物生长和农业生产所必需。然而，现代工业和其它产业的发展，城市人口的增长使环境污染越来越严重，使得目前为数不多的水源遭到了大量的污染。重金属废水主要来自采矿、有色金属、电镀、电解、农药、医药、油漆、颜料等工业，主要含有镉、铬、汞、锌、铜等重金属，其种类、含量及存在形态随产生条件而异。重金属进入环境后不能被生物降解，通过食物链循环，并最终在生物体内积累，破坏生物体的正常生理代谢活动，进而危害人体健康。国内外常用的重金属废水治理方法有物理法、化学法、物理化学法、电化学法和生物法等。物理吸附法操作简单、见效快、二次污染小，是21世纪最有研究价值的处理方法之一。

但是，常用的材料如活性炭，石墨烯等，吸附性能较差，吸附速率慢，并且难以回收再利用。因此，设计和开发新材料和新工艺以应对日益严重的水污染问题具有十分重大的意义。近年来，有关无机层状化合物剥离分层制备二维单分子层纳米片(nanosheets)的研究越来越受到研究者的青睐。由层状化合物剥离生成的二维纳米片，其结构、组成与母体层状化合物板层相一致。纳米片厚度在分子尺度(1nm左右)，横向尺寸在亚微米至数微米间，表现出极端的二维各向异性。此外，剥离所得纳米片表面通常带有电荷，因此可作为基本单元用来构筑多功能复合薄膜和其它纳米复合材料。由于这些优异的物理化学性质，二维单分子层纳米片材料在能源、环境、传感和计算机芯片等领域具有十分广泛的应用前景。特别地，由于其较好的亲水性能和较高的比表面积，这种材料在重金属离子吸附方面表现出优异的性能。

但是，二维单分子层纳米片作为一种平面二维材料，片层之间十分容易堆叠，造成比表面积和孔体积大大减少，使得其直接用于吸附材料有许多困难。

发明内容

针对上述问题，本发明从从结构入手，构造适合的三维多孔二氧化钛泡沫块体，以及一种可以简单、快速制备三维多孔二氧化钛泡沫块体的制备方法。

一方面，本发明提供了一种三维多孔二氧化钛泡沫块体的制备方法，包括：

将质子化相层状碱金属钛酸盐置于含有小分子有机胺的溶液中，经搅拌后得到氧化钛纳米片剥离液；

将所得氧化钛纳米片剥离液经过冷冻干燥，得到所述三维多孔二氧化钛泡沫块体。

本发明先利用小分子有机胺对二氧化钛纳米片进行表面修饰得到氧化钛纳米片剥离液，其中高活性的氧化钛纳米片为相应的单分子片层结构。再利用冷冻干燥得到高吸附性能的二氧化钛泡沫块体。所述TiO₂泡沫具有的三维互通网络的大孔结构。这种网络互通结构有着极大的比表面和互相连接的孔洞，壁墙是由再堆垛的氧化钛纳米片构成。所用剥离液的较高浓度使得纳米片之间更容易接触，在冷冻干燥的过程中，随着水的移除，氧化钛纳米片发生堆叠和自组装，形成互通连续网络结构。而这种结构由于多种相互作用力得到加强，如官能团(小分子有机胺上的氨基，水分子和氧化钛纳米片的含氧基团等)之间的范德华力和氢键作用力。

较佳地，所述冷冻干燥包括：温度：－50℃～－78℃；真空：0.5～12Pa；时间：24h～72h。

较佳地，将层状碱金属钛酸盐和浓度为0.5-2M的酸溶液按照1～40g/L的液固比混合并搅拌1-5天，每2～12小时更换一次酸溶液，得到质子化相层状碱金属钛酸盐。