CN105214634A - 金红石相氧化钛纳米草网筛及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金红石相氧化钛纳米草网筛及其制备方法和用途。纳米草网筛由覆于钛网上的金红石相氧化钛条状纳米草构成，其中，条状纳米草的条直径为3～7nm、条长为100～200nm，其生长方向沿001方向，钛网的目数≤25目；方法先将硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水按比例混合后搅拌得到混合液，再将浸没有钛网的混合液置于160～200℃下密闭反应至少8h，得到浸没有钛网的水热反应液，之后，先由冷却至室温的水热反应液中取出钛网用水冲洗，再将其置于乙醇中于≤20s/次超声清洗后干燥，制得目的产物。它的结构简单、实用，且便于分离和去除其上的吸附物，使其可广泛地重复用于受铬污染的溶液中进行光催化降解吸附。

Description

金红石相氧化钛纳米草网筛及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种纳米草网筛及制备方法和用途，尤其是一种金红石相氧化钛纳米草网筛及其制备方法和用途。

背景技术

在众多的环境问题中，水污染尤为引人关注。如作为工业废水的电镀废液中，六价铬(Cr(VI))因其高毒性、水溶性、高迁移率以及作为一种潜在的致癌物，对人类的危害尤为显著。当将这些工业废水用于灌溉庄稼时会导致农作物富集重金属，使农产品有毒性；此外，工业废水中的重金属离子沉积在河底、海湾，还会通过水生植物进入食物链，经鱼类等水产品进入人体。为此，人们对电镀等工业废水治理技术进行了大量的研究和探索，如中国发明专利CN103058275B于2014年6月25日公告的本申请人的一种分级结构的金红石晶型氧化钛及其制备方法和用途。该专利中提及的分级结构的金红石晶型氧化钛为众多的、表面为竖立的单晶纳米棒侧面为开口状的金红石相氧化钛微米空心球；制备方法先将水合硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水按比例相混合后搅拌得到混合液，再将混合液置于密闭状态，于温度为140～160℃下反应至少30h得到反应混合物，随后，先去除反应混合物的上层液体后，对得到的沉淀物使用工业酒精清洗，再将其干燥后获得产物。这种产物虽可用于受铬污染的溶液中进行高效地光催化降解吸附，却也存在着欠缺之处，首先，经光催化降解吸附后，产物上的吸附物不易去除，影响了其循环使用的效能；其次，除了制备方法需要较长的水热反应时间之外，氧化钛微米空心球在光催化反应后与废液分离也很困难，容易形成二次污染。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的欠缺之处，提供一种结构简单、实用，便于分离和去除其上吸附物的金红石相氧化钛纳米草网筛。

本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述金红石相氧化钛纳米草网筛的制备方法。

本发明要解决的又一个技术问题为提供一种上述金红石相氧化钛纳米草网筛的用途。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：金红石相氧化钛纳米草网筛包括金红石相氧化钛，特别是，

所述金红石相氧化钛为条状纳米草，所述条状纳米草金红石相氧化钛覆于钛网上；

所述覆于钛网上的金红石相氧化钛条状纳米草的条直径为3～7nm、条长为100～200nm，其生长方向沿001方向；

所述钛网的目数≤25目。

作为金红石相氧化钛纳米草网筛的进一步改进：

优选地，条状纳米草的侧表面为{110}晶面。

优选地，组成钛网的钛丝的直径为0.1～0.3mm。

为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：上述金红石相氧化钛纳米草网筛的制备方法采用溶剂热法，特别是主要步骤如下：

步骤1，先按照硫酸氧钛(TiOSO₄)、乙醇、甘油和去离子水的摩尔比为1：48～52：28～32：28～32的比例，将硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水混合后搅拌至少1h，得到混合液，再将浸没有钛网的混合液置于160～200℃下密闭反应至少8h，得到浸没有钛网的水热反应液；

步骤2，先由冷却至室温的水热反应液中取出钛网用水冲洗，再将其置于乙醇中于≤20s/次超声清洗至少2次后干燥，制得金红石相氧化钛纳米草网筛。

作为金红石相氧化钛纳米草网筛的制备方法的进一步改进：

优选地，钛网在浸没于混合液中之前，先将其置于20wt％的硝酸溶液中浸泡5h后用去离子水冲洗，再将其置于乙醇中超声10min后晾干。

优选地，搅拌的时间为1～2h。

优选地，密闭反应的时间为8～12h。

优选地，干燥时的温度为70～90℃、时间为1h。

为解决本发明的又一个技术问题，所采用的又一个技术方案为：上述金红石相氧化钛纳米草网筛的用途为，

将金红石相氧化钛纳米草网筛置于受铬污染的溶液中进行光催化降解吸附。

作为金红石相氧化钛纳米草网筛的用途的进一步改进：

优选地，以金红石相氧化钛纳米草网筛为阴极、铜线为阳极，阴、阳极间施加2V的直流电压。

相对于现有技术的有益效果是：

其一，对制得的目的产物分别使用扫描电镜、透射电镜和紫外可见光谱仪进行表征，由其结果可知，目的产物由覆于钛网上的金红石相氧化钛条状纳米草构成；其中，条状纳米草的条直径为3～7nm、条长为100～200nm，其生长方向沿001方向，钛网的目数≤25目。条状纳米草的侧表面为{110}晶面，组成钛网的钛丝的直径为0.1～0.3mm。这种由钛网和其上覆有的金红石相氧化钛条状纳米草组装成的目的产物，既由于钛网除具有很好的透光性而显著地提高了太阳光的利用率之外，还易于对其施加辅助电场，以进一步地增强目的产物的光催化性能；又因金红石相氧化钛纳米草为条状，较大的比表面积提高了目的产物的降解吸附铬离子的能力；更因两者间的有效整合而使目的产物不仅具备了良好的光催化降解吸附性能，也为便于分离和去除其上的吸附物奠定了基础。同时，目的产物也易于便捷地从被处理液中直接取出，避免了类似粉体的离心分离过程。

其二，对制得的目的产物分别使用紫外可见光谱仪和X射线光电子能谱仪对其进行光催化降解吸附和去除吸附物的表征，由其结果可知，目的产物不仅有效地吸附了工业铬废液中的六价铬，还经光催化将其降解为了毒性较低的三价铬离子，通过电解法更是便捷地解析分离了目的产物上的吸附物——金属离子，从而不但使水及金属离子均可回收利用，也使目的产物具备了再生的能力，进而经济、便捷地解决了水中铬污染的环境难题。

其三，制备方法简单、有效。不仅制得了结构简单、实用，便于分离和去除其上吸附物的目的产物——金红石相氧化钛纳米草网筛，还使其具有了可再生循环使用的性能，更有着水热反应时间短、成本低的特点；进而使目的产物极易于广泛地商业化重复用于受铬污染的溶液中进行光催化降解吸附。

附图说明

图1是对制备方法制得的目的产物分别使用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)进行表征的结果之一。其中，图1a为目的产物的SEM图像，图1b为图1a所示目的产物中单根纳米草的TEM图像；图1显示出了目的产物的形貌、尺寸和生长方向及晶面。

图2是对目的产物使用紫外可见光谱(UV-vis)仪进行可见光催化降解测试的结果之一。测试的条件为，将38×62mm的目的产物置于25ppm的10毫升电镀废液中，于平均强度约为6.8×10⁴勒克斯的日光照射下，对其进行吸收光谱的测定。从UV-vis谱图可看出，目的产物经过一段时间的光照后，电镀废液中的铬离子的吸收峰逐渐降低，经过5.5h后，其吸收峰消失，此时铬离子浓度变为0.027ppm，表明目的产物有效地移除了电镀废液中的铬离子。

图3是对施加电压的目的产物使用紫外可见光谱仪进行可见光催化降解测试的结果之一。测试的条件同图2所述，只是以铜线为阳极、目的产物为阴极，阴、阳极之间施加了不同的直流电压。UV-vis谱图表明，电压为2V时催化移除的效果最好，这是由于铬离子是以负离子团-HCrO₄ ^ˉ,CrO₄ ^2ˉ或Cr₂O₇ ^2ˉ的形式存在，更高的负电位会阻碍其接近目的产物。与不加电压相比，同样25ppm的电镀废液降解时间缩短到了仅需120min。

图4是对吸附有吸附物的目的产物使用紫外可见光谱仪进行电解解析测试的结果之一。测试的条件为，以钛片为阴极、目的产物为阳极，置于50mmol/L的氯化钠电解液中，并于阴、阳极之间施加0.5V的直流电压，对其进行吸收光谱的测定。由UV-vis谱图可看出，初始的氯化钠电解液在250nm波段后及可见光区几乎没有吸收峰，但随着电解解析次数的增加，出现了铬离子的吸收峰，且随电解解析次数的增加而增强；同时，静置后的电解液中也出现了绿色的沉淀物，经X射线光电子能谱仪的测试，该绿色沉淀物中含有大量的3价铬离子，既证实了铬离子通过电解得到了回收，也说明目的产物经电解解析后，其上的吸附物已被去除，即目的产物获得了再生。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

首先从市场购得或自行制得：

硫酸氧钛；乙醇；甘油；去离子水；钛网。

其中，先将钛网置于20wt％的硝酸溶液中浸泡5h后用去离子水冲洗，再将其置于乙醇中超声10min后晾干。

接着，

实施例1

制备的具体步骤为：

步骤1，先按照硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水的摩尔比为1：48：32：28的比例，将硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水混合后搅拌1h，得到混合液。再将浸没有钛网的混合液置于160℃下密闭反应12h，得到浸没有钛网的水热反应液。

步骤2，先由冷却至室温的水热反应液中取出钛网用水冲洗。再将其置于乙醇中于≤20s/次超声清洗2次后干燥；其中，干燥时的温度为70℃、时间为1h。制得近似于图1所示，以及图2、图3和图4中的曲线所示的金红石相氧化钛纳米草网筛。

实施例2

制备的具体步骤为：

步骤1，先按照硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水的摩尔比为1：49：31：29的比例，将硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水混合后搅拌1.3h，得到混合液。再将浸没有钛网的混合液置于170℃下密闭反应11h，得到浸没有钛网的水热反应液。

步骤2，先由冷却至室温的水热反应液中取出钛网用水冲洗。再将其置于乙醇中于≤20s/次超声清洗2次后干燥；其中，干燥时的温度为75℃、时间为1h。制得近似于图1所示，以及图2、图3和图4中的曲线所示的金红石相氧化钛纳米草网筛。

实施例3

制备的具体步骤为：

步骤1，先按照硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水的摩尔比为1：50：30：30的比例，将硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水混合后搅拌1.5h，得到混合液。再将浸没有钛网的混合液置于180℃下密闭反应10h，得到浸没有钛网的水热反应液。

步骤2，先由冷却至室温的水热反应液中取出钛网用水冲洗。再将其置于乙醇中于≤20s/次超声清洗3次后干燥；其中，干燥时的温度为80℃、时间为1h。制得如图1所示，以及图2、图3和图4中的曲线所示的金红石相氧化钛纳米草网筛。

实施例4

制备的具体步骤为：

步骤1，先按照硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水的摩尔比为1：51：29：31的比例，将硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水混合后搅拌1.8h，得到混合液。再将浸没有钛网的混合液置于190℃下密闭反应9h，得到浸没有钛网的水热反应液。

步骤2，先由冷却至室温的水热反应液中取出钛网用水冲洗。再将其置于乙醇中于≤20s/次超声清洗3次后干燥；其中，干燥时的温度为85℃、时间为1h。制得近似于图1所示，以及图2、图3和图4中的曲线所示的金红石相氧化钛纳米草网筛。

实施例5

制备的具体步骤为：

步骤1，先按照硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水的摩尔比为1：52：28：32的比例，将硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水混合后搅拌2h，得到混合液。再将浸没有钛网的混合液置于200℃下密闭反应8h，得到浸没有钛网的水热反应液。

步骤2，先由冷却至室温的水热反应液中取出钛网用水冲洗。再将其置于乙醇中于≤20s/次超声清洗3次后干燥；其中，干燥时的温度为90℃、时间为1h。制得近似于图1所示，以及图2、图3和图4中的曲线所示的金红石相氧化钛纳米草网筛。

金红石相氧化钛纳米草网筛的用途为，

将金红石相氧化钛纳米草网筛置于受铬污染的溶液中进行光催化降解吸附，得到如图2所示的结果。若对目的产物施加电压，则得到如图3所示的结果；其中，以金红石相氧化钛纳米草网筛为阴极、铜线为阳极，阴、阳极间施加2V的直流电压。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的金红石相氧化钛纳米草网筛及其制备方法和用途进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种金红石相氧化钛纳米草网筛，包括金红石相氧化钛，其特征在于：

所述金红石相氧化钛为条状纳米草，所述条状纳米草金红石相氧化钛覆于钛网上；

所述覆于钛网上的金红石相氧化钛条状纳米草的条直径为3～7nm、条长为100～200nm，其生长方向沿001方向；

所述钛网的目数≤25目。

2.根据权利要求1所述的金红石相氧化钛纳米草网筛，其特征是条状纳米草的侧表面为{110}晶面。

3.根据权利要求1所述的金红石相氧化钛纳米草网筛，其特征是组成钛网的钛丝的直径为0.1～0.3mm。

4.一种权利要求1所述金红石相氧化钛纳米草网筛的制备方法，采用溶剂热法，其特征在于主要步骤如下：

步骤1，先按照硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水的摩尔比为1：48～52：28～32：28～32的比例，将硫酸氧钛、乙醇、甘油和去离子水混合后搅拌至少1h，得到混合液，再将浸没有钛网的混合液置于160～200℃下密闭反应至少8h，得到浸没有钛网的水热反应液；

步骤2，先由冷却至室温的水热反应液中取出钛网用水冲洗，再将其置于乙醇中于≤20s/次超声清洗至少2次后干燥，制得金红石相氧化钛纳米草网筛。

5.根据权利要求4所述的金红石相氧化钛纳米草网筛的制备方法，其特征是钛网在浸没于混合液中之前，先将其置于20wt％的硝酸溶液中浸泡5h后用去离子水冲洗，再将其置于乙醇中超声10min后晾干。

6.根据权利要求4所述的金红石相氧化钛纳米草网筛的制备方法，其特征是搅拌的时间为1～2h。

7.根据权利要求4所述的金红石相氧化钛纳米草网筛的制备方法，其特征是密闭反应的时间为8～12h。

8.根据权利要求4所述的金红石相氧化钛纳米草网筛的制备方法，其特征是干燥时的温度为70～90℃、时间为1h。

9.一种权利要求1所述金红石相氧化钛纳米草网筛的用途，其特征在于：

将金红石相氧化钛纳米草网筛置于受铬污染的溶液中进行光催化降解吸附。

10.根据权利要求9所述的金红石相氧化钛纳米草网筛的用途，其特征是以金红石相氧化钛纳米草网筛为阴极、铜线为阳极，阴、阳极间施加2V的直流电压。