[发明专利]姜黄素-二氧化钛-三维石墨烯复合气凝胶的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种姜黄素‑二氧化钛‑三维石墨烯复合气凝胶的制备方法及其应用，石墨烯气凝胶的制备方法包括：先将姜黄素与氧化石墨烯超声分散均匀；然后分别加入抗坏血酸、钛酸四丁酯超声分散均匀；再采用溶胶‑凝胶法制备出姜黄素‑二氧化钛‑石墨烯三元复合水凝胶并冷冻干燥获得气凝胶。本发明的有益效果包括：石墨烯的结构在冷冻干燥过程不易被破坏，其结构上的官能团易被保存且冷冻干燥后的石墨烯不易发生团聚现象。该气凝胶多孔表面积大、具有良好的电子迁移能力且可以反复利用。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种姜黄素-二氧化钛-三维石墨烯复合气凝胶的制备方法及用光催化降解水体磺胺类药物的应用。

背景技术

随着环境分析技术的提高和人们环境意识的增强，环境中微量有机污染物引起了广泛的关注，尤其是药品与个人护理用品(PPCPs)，是一种新兴污染物，包括人用和兽用的医药品、诊断剂、保健品、麝香、化妆品、遮光剂、消毒剂、防腐剂等。近年来，在不同国家和地区的水体、土壤、污水和污泥中均检测到ng/L～μg/L水平的PPCPs，某些介质中甚至达到了mg/L的水平。由于我国人口众多，且畜牧水产养殖业发达，PPCPs的生产和使用量非常巨大，导致我国PPCPs的环境污染和生态毒害问题日趋严重。

磺胺类药物(SAs)是一种典型的PPCPs，基本化学结构为对氨基苯磺酰胺。水环境中残留磺胺类药物会导致微生物抗药性的发展，促使抗药性细菌大量繁殖，严重破坏水环境中菌落和群落的均衡性和多样性。同时还会通过水循环再次进入人类和动物体内，会破坏人的正常免疫机能和造血系统，损害人体泌尿系统、脑神经系统、消化系统等，也会严重损害动物的肌体并影响其生殖能力。现有的去除SAs的方法有树脂吸附法、反渗透膜法、高级氧化法等，其中树脂吸附法由于自身特点并不适合吸附水体中微量的磺胺类药物，反渗透膜法则由于能耗大和操作条件要求高，故大多数废水处理采用高级氧化法。光催化高级氧化法是由光激发产生空穴—电子对，继而通过连锁反应产生·OH自由基，将水溶液中有机污染物逐步转化为小分子有机物，直至完全矿化的方法。

TiO₂作为光催化的半导体材料具有性质稳定、无毒、催化活性高、无二次污染等优点，尤其是实现了某些难生物降解的污染物的降解，直至矿化，因而能被广泛应用于有机污染物的削减和减量化。TiO₂光催化产生·OH的关键在于光激发产生的空穴和电子能否被TiO₂表面所吸附的H₂O或OH-和电子受体所捕获，若在TiO₂表面没有电子受体或H₂O或OH-，有机污染物的降解率低下。因此，如何提高光激发产生的电子—空穴对的分离是提高TiO₂催化效率的关键。

姜黄素是一种可以稳定吸附在TiO₂表面并可再生的天然染料敏化剂。其是一种从姜科植物中提取的具有食品、药用价值等多种用途的多酚类物质，其主链为不饱和的脂肪族及芳香族基团，并含有对称的双酚和二乙酰丙酮结构，在可见光聚合领域有着广泛的应用，可以作为碘鎓盐的光增感剂，促进电子转移。除此之外，姜黄素上的酚羟基还可以起到络合TiO₂的作用，保证姜黄素在TiO₂表面的有效吸附。

单一的敏化剂TiO₂纳米粒子力度细小，在回收时容易随水流失，重复利用存在限制，所以提高TiO₂催化效率的另一个关键是TiO₂固定技术。通常可固定在高分子树脂，天然高分子等材料，载体一般要求比表面积高、孔径大、活性好、固载量多、耐冲击性能强等要求。而石墨烯正是一种优良的载体，其拥有较高的比表面积、良好的导电性能、可以有效提高催化效率，此外石墨烯的光透过率不会影响二氧化钛对光的吸收。