CN102600906A

CN102600906A - 分子印迹型光催化剂的制备方法

Info

Publication number: CN102600906A
Application number: CN2012100472643A
Authority: CN
Inventors: 黄卫红; 黄婷婷; 徐婉珍; 王丹丹; 周威
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明分子印迹型光催化剂的制备方法，属于光催化剂技术领域。是一种以二氧化钛（TiO₂）作为载体，以有机污染物分子作为模板分子的分子印迹层改性的复合光催化剂及其制备方法。其制备方法是将功能单体与模板分子即目标污染物结合发生聚合反应并接枝于载体TiO₂表面。本发明的光催化剂能够高选择性的识别和降解目标污染物，从而显著的提高目标污染物的光催化降解速度，实现痕量有毒有机污染物的选择性光催化降解，而且催化剂应用pH值范围广，催化效率高，可重复使用。

Description

分子印迹型光催化剂的制备方法

技术领域

本发明涉及一种利用分子印迹技术和TiO₂光催化技术相结合的方法合成MIP-TiO₂光催化剂的制备方法，具体为一种用于将水体中的痕量有毒有机污染物去除的高级氧化技术，属于光催化剂技术领域。

背景技术

目前针对水体中痕量有机污染物的处理方法包括吸附、臭氧氧化、膜生物反应和膜过滤、反渗透、光催化等。虽然这些方法均实现了30-90% 的部分有机污染物的去除，但在实际处理过程中，要么易受其它污染物影响，要么在降解速度、矿化程度方面存在致命缺陷，影响这些技术的实际应用。但相对来说，光催化等高级氧化技术仍是处理水体中有机污染物的最有效方法之一。TiO₂光催化技术是一种非选择性降解技术，这是该技术的优势，但当其用于水中某些低浓度的有机物降解时，非选择性就成了该法最大的弊端。因此，如果能对光催化技术进行改进，使其能进行选择性光催化，则有可能适用于水中痕量有机污染物的去除。

目前已有一些分子印迹-光催化技术用于水中有机污染物去除的研究报道，这些研究均采用化学沉积法制备光催化剂，该方法交联度高，聚合程度难以控制，制备的印迹聚合物一般比较厚且粒径不均一、形态不规整，因此存在传质和电荷传递速率慢，灵敏度不高，识别位点与目标分析物结合时间长，模板分子洗脱不彻底以及客体亲和性响应宽等缺点。总之，目前尚未有一种快速、技术易行、实用、针对性强的技术对受到痕量有机污染物污染的水体进行安全、完全的深度处理。

本发明就是专门针对低浓度的有毒有机污染物能够被优先降解而提出的一种光催化剂及其制备方法，将光催化和分子印迹吸附结合，对光催化剂进行分子印迹层改性，通过分子印迹层对痕量目标污染物的选择性吸附，然后光催化降解，可以充分发挥二者的优势，弥补缺陷，从而实现选择性光催化降解。

发明内容

本发明以TiO₂为载体，制备出一种分子印迹层改性的TiO₂光催化剂。其优点在于能够有效的选择性吸附并快速降解目标污染物，实现了光催化剂的选择性催化性能。

分子印迹型光催化剂的制备方法，按照下述步骤进行：

（1）在反应器中按照（0.2～0.5）：（2～10)：（10～50）（mL/ mmol/mL）的比例先后加入模板分子、功能单体和甲苯溶液，利用超声对功能单体和模板分子的混合物脱气并充分分散10～20 min，在室温下保持以200～400 rpm的速度水浴搅拌3～6 h，使模板分子和功能单体充分聚合；

（2）在上述预聚物中先后加入一定量的乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）、偶氮二异丁腈（AIBN）和适量改性TiO₂，超声分散5～10 min后，通氮气10～15 min以去除氧气，密封瓶口以确保处于一个真空的环境并置于恒温水浴中引发聚合反应；其中功能单体：乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）：偶氮二异丁腈（AIBN）：改性TiO₂的比例为(2～10)：（10～40）：（0.01～0.02）：（0.2～2.0）（mmol /mmol/g/g）；

（3）最后，将聚合物置于体积比为9:1的甲醇/乙酸的混合溶液中洗脱至无模板分子，即得到分子印迹型TiO₂光催化剂（MIP-TiO₂）。

其中步骤（1）中所述的模板分子为邻苯二甲酸二丁酯（DBP）；功能单体为α-甲基丙烯酸（MAA）。

本发明的优点：在此法中，模板分子是通过较弱的分子间相互作用力而在功能单体周围进行自组装的。该技术利用功能化改性钛基材料表面含有活泼基团，以自组装的形式与模板分子结合，在交联剂的作用下聚合层均匀的接枝到钛基材料表面，通过优化条件可制备出粒径均一、分布均匀、机械强度好、键合位点高的MIP-TiO₂光催化剂。由于MIP-TiO₂光催化剂的高选择性、亲和性及稳定性等特点，使其在多污染物共存的体系中，为优先选择去除目标污染物提供了一条有效途径。

附图说明

图1分子印迹型光催化剂的基本结构，TiO₂为载体，并在表面接枝分子印迹改性层。

图2分子印迹型光催化剂红外谱图，从图中可以看出3400-3600 cm^-1处是TiO₂周围表面-OH的特征吸收峰，1700-1600 cm⁻¹处的C=O伸缩振动吸收峰、1433 cm^-1处的Si-O-C伸缩振动吸收峰、2954 cm⁻¹处的C-H不对称伸缩振动吸收峰等，表明了已经在TiO₂的表面成功的接枝了分子印迹的活性位点。

图3选择性降解DBP的过程中污染物浓度随时间变化图。分别采用未改性TiO₂光催化剂、DBP为模板分子合成的改性TiO₂光催化剂及对应的非印迹型改性TiO₂光催化剂降解初始浓度为20mg/L的DBP模拟废水溶液。

图4分子印迹层改性的TiO₂光催化剂降解不同污染物质的选择性。采用MIP-TiO₂光催化剂降解单独组分DBP、DEHP和BBP溶液。单独降解DBP、DEHP和BBP时，这些有机污染物的初始浓度均为20mg/L。

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。

本发明中所述的改性TiO₂按照下述步骤制备得到：称量1.0 gTiO₂，加入到三口烧瓶中，再加入40 mL甲苯溶液，放入超声波清洗器中预分散30 min左右，分散之后加入5 mLγ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷（KH570），摇匀后机械搅拌，加热保持反应温度在50 ℃，反应2 h，然后过滤得到改性后的TiO₂粉末，在50 ℃真空干燥12 h，研磨，待用。

本发明中吸附能力评价：采用静态法测定分子印迹型光催化剂的吸附性能。称取适量所制备的印迹聚合物催化剂和空白聚合物催化剂加入到目标分子和非目标物质水溶液中，在室温下以恒定速率搅拌吸附。用公式计算其吸附容量：Q=(C₀-C_e)*V/m，其中Q是催化剂的吸附容量(mg g^-1)，C₀，C_e分别为目标物质吸附前和吸附平衡后的浓度(mg L^-1)，V是溶液的体积(L)，m是催化剂的质量(g)。

本发明中光催化活性评价：在光化学反应器中进行，250 W紫外灯（中压汞灯）照射。取200 mL模拟溶液加入反应瓶中，然后投加一定量的分子印迹型光催化剂，将反应瓶置于光化学反应仪中，打开磁力搅拌并通过曝气装置通入空气，以补充溶解氧并起搅拌作用。每隔10 min取样离心，过滤取上清液用高效液相色谱测定其浓度，并通过公式：R=[（A₀-A_i）/A₀]×100%计算目标物质的降解效率，其中A₀为原液初始的液相峰面积，A_i为t时刻的液相峰面积。

实施例1：（1）在反应器中按照0.2：2：10（mL/mmol/mL）的比例先后加入模板分子邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、功能单体α-甲基丙烯酸（MAA）和甲苯溶液，利用超声对功能单体和模板分子的混合物脱气并充分分散10 min，在室温下保持以200 rpm的速度水浴搅拌3 h，使模板分子和功能单体充分聚合；

（2）在上述预聚物中先后加入一定量的乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）、偶氮二异丁腈（AIBN）和适量改性TiO₂，超声分散5 min后，通氮气10 min以去除氧气，密封瓶口以确保处于一个真空的环境并置于恒温水浴中引发聚合反应；其中功能单体：乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）：偶氮二异丁腈（AIBN）：改性TiO₂的比例为2：10：0.01：0.2（mmol /mmol/g/g）；

（3）最后，将聚合物置于体积比为9:1的甲醇/乙酸的混合溶液中洗脱至无模板分子，即得到分子印迹型TiO₂光催化剂。其中图1为分子印迹型光催化剂的基本结构，TiO₂为载体，并在表面接枝分子印迹改性层。图2分子印迹型光催化剂红外谱图，从图中可以看出3400-3600 cm^-1处是TiO₂周围表面-OH的特征吸收峰，1700-1600 cm⁻¹处的C=O伸缩振动吸收峰、1433 cm^-1处的Si-O-C伸缩振动吸收峰、2954 cm⁻¹处的C-H不对称伸缩振动吸收峰等，表明了已经在TiO₂的表面成功的接枝了分子印迹的活性位点。

通过前面方法测得该光催化剂对DBP的最高吸附量可达到7.86 mg/g，降解率在60 min内达到80%以上，该分子印迹型光催化剂具有较强的光催化活性。其中图3选择性降解DBP的过程中污染物浓度随时间变化图。分别采用未改性TiO₂光催化剂、DBP为模板分子合成的改性TiO₂光催化剂及对应的非印迹型改性TiO₂光催化剂降解初始浓度为20mg/L的DBP模拟废水溶液。图4分子印迹层改性的TiO₂光催化剂降解不同污染物质的选择性。采用MIP-TiO₂光催化剂降解单独组分DBP、DEHP和BBP溶液。单独降解DBP、DEHP和BBP时，这些有机污染物的初始浓度均为20mg/L。

实施例2：（1）在反应器中按照0.5：10：50（mL/mmol/mL）的比例先后加入模板分子邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、功能单体α-甲基丙烯酸（MAA）和甲苯溶液，利用超声对功能单体和模板分子的混合物脱气并充分分散20 min，在室温下保持以400 rpm的速度水浴搅拌6 h，使模板分子和功能单体充分聚合；

（2）在上述预聚物中先后加入一定量的乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）、偶氮二异丁腈（AIBN）和适量改性TiO₂，超声分散10 min后，通氮气15 min以去除氧气，密封瓶口以确保处于一个真空的环境并置于恒温水浴中引发聚合反应；其中功能单体：乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）：偶氮二异丁腈（AIBN）：改性TiO₂的比例为10：40：0.02：2.0（mmol /mmol/g/g）；

（3）最后，将聚合物置于体积比为9:1的甲醇/乙酸的混合溶液中洗脱至无模板分子，即得到一种对邻苯二甲酸二丁酯有特异选择性的分子印迹型TiO₂光催化剂。

实施实例3：（1）在反应器中加入模板分子邻苯二甲酸苄基丁基酯（0.2 mL）和功能单体α-甲基丙烯酸(6 mmol)，再加入20 mL甲苯溶液，利用超声对功能单体和模板分子的混合物脱气并充分分散15 min，在室温下保持以300 rpm的速度水浴搅拌6 h，使模板分子和功能单体充分聚合；

（2）在上述预聚物中先后加入一定量的乙二醇二甲基丙烯酸酯、偶氮二异丁腈和改性TiO₂，超声分散10 min后，通氮气10 min以去除氧气，密封瓶口以确保处于一个真空的环境并置于60 ℃恒温水浴中反应24 h；其中功能单体：乙二醇二甲基丙烯酸酯：偶氮二异丁腈：改性TiO₂的比例为6：20：0.01：0.5（mmol /mmol/g/g）；

（3）由此产生的聚合物收集起来并用乙醇连续洗涤数次以除去杂质，并将聚合物置于体积比为9:1的甲醇/乙酸的混合溶液中洗脱至无模板分子，最后，聚合物用乙醇洗涤数次后置于真空干燥箱中干燥12 h，即得到一种对邻苯二甲酸苄基丁基酯具有特异选择性的分子印迹型TiO₂光催化剂。

Claims

1.分子印迹型光催化剂的制备方法，其特征在于按照下述步骤进行：

(1)在反应器中按照（0.2～0.5）：（2～10)：（10～50）的比例先后加入模板分子、功能单体和甲苯溶液，利用超声对功能单体和模板分子的混合物脱气并充分分散10～20 min，在室温下保持以200～400 rpm的速度水浴搅拌3～6 h，使模板分子和功能单体充分聚合；

(2)在上述预聚物中先后加入一定量的乙二醇二甲基丙烯酸酯、偶氮二异丁腈和适量改性TiO₂，超声分散5～10 min后，通氮气10～15 min以去除氧气，密封瓶口以确保处于一个真空的环境并置于恒温水浴中引发聚合反应；其中功能单体：乙二醇二甲基丙烯酸酯：偶氮二异丁腈：改性TiO₂的比例为(2～10)：（10～40）：（0.01～0.02）：（0.2～2.0）；

(3)最后，将聚合物置于体积比为9:1的甲醇/乙酸的混合溶液中洗脱至无模板分子，即得到分子印迹型光催化剂。

2.根据权利要求1所述的分子印迹型光催化剂的制备方法，其特征在于其中步骤（1）中所述的模板分子为邻苯二甲酸二丁酯；功能单体为α-甲基丙烯酸。