CN104857944B - 一种CaTi2O5木耳状微纳结构光催化剂的制备方法及其制得的产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂的制备方法，将钛的化合物溶解于有机溶剂中，加入蒸馏水而形成得到粉体A；将二水氯化钙溶解于蒸馏水中并加入有机溶剂，搅拌至均匀得到B液；将B液加入粉体A中，调节体系pH值为2～4，搅拌混合后放在水热釜中进行水热反应；反应产物用蒸馏水洗涤，获得CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂。此外，还公开了利用上述制备方法制得的产品。本发明工艺路线简单，生产成本低，无需特殊装置，在无表面活性剂或模板的条件下获得了具有优异光催化性能的纯CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂；而且产量高、可控性强，产品经过多次重复使用后仍保持较高的光催化降解率、且易于回收，有效提高了其在工业领域的使用价值和经济效益。

Description

一种CaTi2O5木耳状微纳结构光催化剂的制备方法及其制得的 产品

技术领域

本发明涉及光催化技术领域，尤其涉及一种具有微纳结构的CaTi₂O₅高效光催化剂的制备方法及其制得的产品。

背景技术

随着经济生产的飞速发展，人们的生活水平得到了极大的提高，并推动了社会的进步和发展；但与此同时，工业进程化的快速推进导致环境污染日益严重，尤其是工业废水含有大量有毒物质，具有化学成分复杂等特点，直接排放会严重危害人体健康、破坏生态环境。因此，废水处理已经成为全球普遍关注的问题，并对此进行了大量的研究，其中光化学反应在环境污染治理领域得到了广泛应用。

光化学反应中采用光催化剂来分解对人体和环境有害的物质，并加速反应的进行。目前，钙钛矿型光催化剂以其特有的结构和催化过程在光催化领域成为国内外研究的热点。研究表明，纳米CaTi₂O₅具有良好的光催化性能，但这种纳米材料具有粉体易团聚、不容易从溶液中回收等问题。而微纳结构(即由纳米单元组成微米结构尺寸)不仅具有高的光催化活性，而且便于回收和存储，因此越来越受到研究人员的关注。然而，目前现有技术在这种微纳结构材料的制备中，均需要添加模板或表面活性剂，并且工艺条件苛刻，这些制备方法不仅引入了杂质，同时对设备要求高、成本高，不利于工业化生产。因此，微纳结构光催化剂材料的简单制备仍然是科学和工业领域研究的一大热点和难点。而关于纯CaTi₂O₅微纳结构材料的制备、结构及特性的研究几乎是空白，探索一种简单的方法来制备CaTi₂O₅微纳结构光催化剂材料具有重要的价值和意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂的制备方法，以通过简单的方法和较低的成本，获得具有高效光催化性能的CaTi₂O₅微纳结构材料，从而有利于工业化生产和应用。本发明的另一目的在于提供利用上述制备方法制得的产品。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钛的化合物溶解于有机溶剂中，按照摩尔比所述钛的化合物∶有机溶剂＝1∶5～10，搅拌至均匀，然后逐滴加入蒸馏水而产生白色沉淀，洗涤、过滤、干燥后得到含有钛的白色粉体A；

(2)将二水氯化钙溶解于蒸馏水中，然后加入有机溶剂，搅拌至均匀得到B液；按照摩尔比所述二水氯化钙∶蒸馏水∶有机溶剂＝1∶1～400∶1～10；

(3)按照摩尔比二水氯化钙∶钛的化合物＝1∶1～1.5，搅拌状态下将所述B液逐滴滴入所述粉体A中，调节体系pH值为2～4，搅拌混合10～15min后放在水热釜中，在140～180℃下保温12～36h；反应产物用蒸馏水洗涤，获得CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂。

进一步地，本发明所述钛的化合物为钛酸丁酯、氯化钛或钛酸异丙酯。所述有机溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、四氢呋喃中的一种或其组合。所述步骤(3)中采用盐酸或硝酸调节体系pH值。

利用上述CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂制备方法制得的产品。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用廉价原料二水氯化钙和钛的化合物，通过一步水热法进行制备，工艺路线简单，生产成本低，无需特殊装置，在无表面活性剂或模板的条件下获得了具有优异光催化性能的纯CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂。由于其木耳状微纳结构具有纳米结构单元，因此具有更多的活性接触点，从而为光生电子的传输提供了直接的通道，保证了结构中很高的光生电子传输速率和低的电子-空穴对复合损失，使得所得材料在可见光下具有优异的光催化性能，并且产品粉末不容易团聚，同时也有效解决了现有技术纳米材料在光催化水处理时难以从溶液中回收的弊端。本发明产量高、可控性强，产品经过多次重复使用后仍保持较高的光催化降解率，有效提高了其在工业领域的使用价值和经济效益。

附图说明

下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：

图1是本发明实施例CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂的X射线衍射图谱；

图2是本发明实施例CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂的扫描电镜照片(a，10000倍数；b，30000倍数)；

图3是本发明实施例CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂与对比例光催化剂P-25的光催化活性比较示意图；

图4是本发明实施例CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂多次重复使用后的光催化降解率示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂的制备方法，其步骤如下：

(1)将钛酸丁酯溶解于乙醇中，按照摩尔比钛酸丁酯∶乙醇＝1∶5，搅拌至均匀，然后逐滴加入蒸馏水而产生白色沉淀，用蒸馏水洗涤、过滤、干燥后得到含有钛的白色粉体A；

(2)将二水氯化钙溶解于蒸馏水中，然后加入乙醇，搅拌至均匀得到B液；按照摩尔比二水氯化钙∶蒸馏水∶乙醇＝1∶50∶10；

(3)按照摩尔比二水氯化钙∶钛酸丁酯＝1∶1，搅拌状态下将上述B液逐滴滴入粉体A中，然后逐渐滴加HCl溶液调节体系pH值为2，继续搅拌15min混合后，放在水热釜中，在180℃下保温24h；反应产物用蒸馏水洗涤6次，获得CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂。

实施例二：

本实施例CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂的制备方法，其步骤如下：

(1)将钛酸异丙酯溶解于丙醇中，按照摩尔比钛酸异丙酯∶丙醇＝1∶6，搅拌至均匀，然后逐滴加入蒸馏水而产生白色沉淀，用蒸馏水洗涤、过滤、干燥后得到含有钛的白色粉体A；

(2)将二水氯化钙溶解于蒸馏水中，然后加入丙醇，搅拌至均匀得到B液；按照摩尔比二水氯化钙∶蒸馏水∶丙醇＝1∶50∶5；

(3)按照摩尔比二水氯化钙∶钛酸异丙酯＝1∶1.2，搅拌状态下将上述B液逐滴滴入粉体A中，然后逐渐滴加HCl溶液调节体系pH值为3，继续搅拌15min混合后，放在水热釜中，在140℃下保温36h；反应产物用蒸馏水洗涤6次，获得CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂。

实施例三：

本实施例CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂的制备方法，其步骤如下：

(1)将氯化钛溶解于丁醇中，按照摩尔比氯化钛∶丁醇＝1∶10，搅拌至均匀，然后逐滴加入蒸馏水而产生白色沉淀，用蒸馏水洗涤、过滤、干燥后得到含有钛的白色粉体A；

(2)将二水氯化钙溶解于蒸馏水中，然后加入丁醇，搅拌至均匀得到B液；按照摩尔比二水氯化钙∶蒸馏水∶丁醇＝1∶400∶5；

(3)按照摩尔比二水氯化钙∶氯化钛＝1∶1.5，搅拌状态下将上述B液逐滴滴入粉体A中，然后逐渐滴加HCl溶液调节体系pH值为4，继续搅拌10min混合后，放在水热釜中，在160℃下保温24h；反应产物用蒸馏水洗涤6次，获得CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂。

实施例四：

本实施例CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂的制备方法，其步骤如下：

(1)将钛酸丁酯溶解于丙二醇中，按照摩尔比钛酸丁酯∶丙二醇＝1∶8，搅拌至均匀，然后逐滴加入蒸馏水而产生白色沉淀，用蒸馏水洗涤、过滤、干燥后得到含有钛的白色粉体A；

(2)将二水氯化钙溶解于蒸馏水中，然后加入丙二醇，搅拌至均匀得到B液；按照摩尔比二水氯化钙∶蒸馏水∶丙二醇＝1∶400∶10；

(3)按照摩尔比二水氯化钙∶钛酸丁酯＝1∶1，搅拌状态下将上述B液逐滴滴入粉体A中，然后逐渐滴加HNO₃溶液调节体系pH值为4，继续搅拌12min混合后，放在水热釜中，在180℃下保温36h；反应产物用蒸馏水洗涤6次，获得CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂。

本发明实施例制备的CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂的X射线衍射图谱如图1所示，其衍射峰与CaTi₂O₅相的标准图谱一致，说明本发明实施例所得产品为CaTi₂O₅相，并且其结构为由纳米片组成的木耳状微纳结构(见图2)。

本发明实施例制备的CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂，以商用光催化剂P-25作为对比例，通过分解甲基橙溶液进行光催化活性的测定和比较。

甲基橙溶液的光催化脱色反应表现为准一级动力学关系，ln(C₀/C)＝kt，其中，C₀和C分别为光照时间为0和t时的甲基橙的浓度；k用来表观速率常数。又因为ln(A₀/A)＝ln(C₀/C)＝kt，A₀和A分别为光照时间为0和t时在466nm处的吸光度值，故测得的速率常数k，其值越大，说明光催化性能越好。

图3中的线条1、2、3、4、5分别为对比例、实施例一、实施例二、实施例三、实施例四分解甲基橙溶液的光催化活性曲线，在无光照条件下均无吸附，其光降解率为0。在光照条件下，本发明实施例制备的CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂的光催化活性均高于对比例商用光催化剂P-25，说明其具有优异的光催化性能。

此外，本发明实施例制备的CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂，在经过多次重复使用后仍保持较高的光催化降解率(见图4)，表明具有便于存储和更易回收等优异特性，有利于其在工业领域使用价值和经济效益的提高。

Claims (3)

1.一种CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将钛的化合物溶解于有机溶剂中，按照摩尔比所述钛的化合物∶有机溶剂＝1∶5～10，搅拌至均匀，然后逐滴加入蒸馏水而产生白色沉淀，洗涤、过滤、干燥后得到含有钛的白色粉体A；所述钛的化合物为钛酸丁酯、氯化钛或钛酸异丙酯；

(2)将二水氯化钙溶解于蒸馏水中，然后加入有机溶剂，搅拌至均匀得到B液；按照摩尔比所述二水氯化钙∶蒸馏水∶有机溶剂＝1∶1～400∶1～10；

(3)按照摩尔比二水氯化钙∶钛的化合物＝1∶1～1.5，搅拌状态下将所述B液逐滴滴入所述粉体A中，调节体系pH值为2～4，搅拌混合10～15min后放在水热釜中，在140～180℃下保温12～36h；反应产物用蒸馏水洗涤，获得CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂。

2.根据权利要求1所述的CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、四氢呋喃中的一种或其组合。

3.利用权利要求1或2所述CaTi₂O₅木耳状微纳结构光催化剂制备方法制得的产品。