CN102814152A - 碳掺杂二氧化钛中空微球的制备工艺 - Google Patents

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一种碳掺杂二氧化钛中空微球的制备工艺，其步骤为：依次称取重量比为1：0.1-0.2：0.1-0.25的硫酸钛、二茂铁及硝酸钾，加入蒸馏水中，室温搅拌，再超声后得到的混合液；将混合液装入自生压力水热反应釜中，在160-180摄氏度下恒温水热反应；将反应后的混合液自然冷却到室温，再经过滤、水洗烘干釜底物即得棕色碳掺杂二氧化钛中空微球粉末。本发明整个流程操作简单，生产成本较低，可行性较大，易于实现工业化批量生产光催化的特点；在该制备过程中采用一步法实现了水解、分解、掺杂三位一体的合成策略，有效解决了目前碳掺杂纳米二氧化钛多步实验流程、需要高温、制备仪器要求高等弊端。

Description

碳掺杂二氧化钛中空微球的制备工艺
技术领域
本发明涉及工程纳米材料领域，特别是指一种碳掺杂二氧化钛中空微球的制备工艺。
背景技术
目前中空微球的制备一般采用模板法、层－层自组装技术、乳化法及高温冶炼法等，它们都各自存在着优缺点，如：
(1)、采用模板法，制备过程易控制、产率高，但是需要添加额外的有机模板剂，而且后处理往往需要高温煅烧去除有机模板； 
(2)、采用层－层自组装技术，产物形貌可精确调控，但是制备过程比较耗时； 
(3)、采用乳化法，产物粒径比较均一，纯度高，但是制备过程很难调控，产物制备不容易重复，不利于工业化生产；
(4)、采用高温冶炼法，制备效率高，但存在需要高温，及其耗能，不利于工业化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种整个流程操作简单，生产成本低，易于实现工业化批量生产的碳掺杂二氧化钛中空微球的制备工艺。
为实现上述目的，本发明的解决方案是：
一种碳掺杂二氧化钛中空微球的制备工艺，其具体步骤为：
步骤1、依次称取重量比为1：0.1-0.2：0.1-0.25的硫酸钛、二茂铁及硝酸钾，加入30-40份重量比蒸馏水中，室温搅拌，再超声后得到的混合液；
步骤2、将混合液装入自生压力水热反应釜中，在160-180摄氏度下恒温水热反应；
步骤3、将反应后的混合液自然冷却到室温，再经过滤、水洗烘干釜底物即得棕色碳掺杂二氧化钛中空微球粉末。
所述步骤1中依次称取硫酸钛2克，二茂铁0.2-0.4克，硝酸钾0.2-0.5克，加入70毫升蒸馏水中。
所述步骤1中室温搅拌30-50分钟，再超声30分钟。
所述步骤2中恒温水热反应时间为18-24小时。
所述步骤3在水洗过程中，加入搅拌磁子对含有目标物的水溶液进行磁力搅拌，搅拌磁子上吸附黑色粉末状物质副产物。
所述步骤3中的副产物通过磁分离加以分离。
采用上述方案后，本发明相对目前的制备工艺具有整个流程操作简单，生产成本较低，可行性较大，易于实现工业化批量生产光催化的特点；在该制备过程中采用一步法实现了水解、分解、掺杂三位一体的合成策略，有效解决了目前碳掺杂纳米二氧化钛多步实验流程、需要高温、制备仪器要求高等弊端。
具体实施方式
本发明揭示了一种碳掺杂二氧化钛中空微球的制备工艺，所采用原料主要有硫酸钛【Ti(SO4)2】，二茂铁【（C5H5)Fe(C5H5) 】以及硝酸钾(KNO3)，均为廉价、无毒试剂。各原料以重量比为：1：0.1-0.2：0.1-0.25加入蒸馏水中，其具体制备实施步骤为：
步骤1、依次称取硫酸钛2克，二茂铁0.2-0.4克，硝酸钾0.2-0.5克，加入60-80毫升蒸馏水中，室温搅拌30-50分钟，再超声30分钟后得到的混合液；
步骤2、将混合液装入内胆体积100毫升自生压力水热反应釜中，在160-180摄氏度下恒温水热反应18-24小时；
步骤3、将反应后的混合液自然冷却到室温，再经过滤、水洗烘干釜底物即得棕色碳掺杂二氧化钛中空微球粉末。
在水洗过程中，可采用加入搅拌磁子对含有目标物的水溶液进行磁力搅拌，会发现搅拌磁子上吸附有少量黑色粉末状物质（二茂铁在水热体系中分解的副产物具有磁性的四氧化三铁）；该副产物可通过简单的磁分离加以分离。
本发明的合成主要原理是：硫酸钛水解在水热体系中可得到纳米二氧化钛，具有三维空间结构二茂铁在水热体系中分解可得到碳物质，在硝酸钾结构导向剂作用下，水热体系中自组装形成碳掺杂二氧化钛中空微球。
综上，本发明的制备工艺具有如下优点：
一、本发明研制的光催化剂碳掺杂二氧化钛中空微球能有效解决目前TiO2作为传统光催化剂在污水净化实际应用存在的三大的缺陷：
(1)、对紫外光依赖性大，可见光利用率极低；
(2)、光催化量子效率低，光激发后半导体内部的光生电子－空穴对复合率高导致光催化降解有机污染物活性较低；
(3)、使用后催化剂与水体分离困难。实际使用的粉体光催化剂粒径太小，难以从反应后的混合体系中分离，导致其回收及活化后再利用能力有限。
二、本发明提供了一种制备程序简单、绿色、无二次污染、原料成本低的光催化剂制备工艺技术。
三、本发明制备的为一种可在可见光（如太阳光）激发下能高效、深度降解污水中有机污染物（如染料、酚类有机物等）光催化剂。
因此，采用本发明制备方法合成的光催化剂碳掺杂二氧化钛中空微球与类似光催化剂相比，具有明显的优势：
(1)、碳掺杂二氧化钛中空微球比表面积大，可达52m2/g；
(2)、碳掺杂二氧化钛中空微球对可见光吸收强，在420-800nm都有明显的吸收；
(3)、碳掺杂二氧化钛中空微球在水体中沉降迅速，在5分钟内可看到明显的沉降分层现象；
(4)、碳掺杂二氧化钛中空微球光催化降解效果显著，采用7月份中午太阳光作为光源，1g.L-1 的催化剂使用量对30 mg.L-1的亚甲基蓝溶液的户外可见光光催化降解实验结果表明，其在4个小时内完全褪色，总有机碳（TOC）的去除率可达65%。
总之，本发明相对目前的制备工艺具有整个流程操作简单，生产成本较低，可行性较大，易于实现工业化批量生产光催化的特点；在该制备过程中采用一步法实现了水解、分解、掺杂三位一体的合成策略，有效解决了目前碳掺杂纳米二氧化钛多步实验流程、需要高温、制备仪器要求高等弊端。

Claims (6)

1.一种碳掺杂二氧化钛中空微球的制备工艺，其具体步骤为：
步骤1、依次称取重量比为1：0.1-0.2：0.1-0.25的硫酸钛、二茂铁及硝酸钾，加入30-40份重量比蒸馏水中，室温搅拌，再超声后得到的混合液；
步骤2、将混合液装入自生压力水热反应釜中，在160-180摄氏度下恒温水热反应；
步骤3、将反应后的混合液自然冷却到室温，再经过滤、水洗烘干釜底物即得棕色碳掺杂二氧化钛中空微球粉末。
2.如权利要求1所述的碳掺杂二氧化钛中空微球的制备工艺，其特征在于：所述步骤1中依次称取硫酸钛2克，二茂铁0.2-0.4克，硝酸钾0.2-0.5克，加入60-80毫升蒸馏水中。
3.如权利要求1或2所述的碳掺杂二氧化钛中空微球的制备工艺，其特征在于：所述步骤1中室温搅拌30-50分钟，再超声30分钟。
4.如权利要求1所述的碳掺杂二氧化钛中空微球的制备工艺，其特征在于：所述步骤2中恒温水热反应时间为18-24小时。
5.如权利要求1或2所述的碳掺杂二氧化钛中空微球的制备工艺，其特征在于：所述步骤3在水洗过程中，加入搅拌磁子对含有目标物的水溶液进行磁力搅拌，搅拌磁子上吸附黑色粉末状物质副产物。
6.如权利要求5所述的碳掺杂二氧化钛中空微球的制备工艺，其特征在于：所述步骤3中的副产物通过磁分离加以分离。
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