CN106215952A - 量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器及其原位辐射制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器及其原位辐射制备方法。通过循环冷冻制备以天然聚多糖为基材的物理交联的TiO2纳米复合水凝胶,将量子点前驱体与TiO2纳米复合水凝胶共混后,通过电子束辐射原位制备的量子点能够均匀组装到纳米TiO2表面并对其进行有效修饰与敏化,从而形成量子点/TiO2复合物有效负载到水凝胶骨架内的水凝胶“软反应器”催化材料。本发明将吸附、光催化、抗菌杀菌的有机统一,获得了机械强度优良、膨胀与收缩响应快、易于负载催化剂且性能稳定的水凝胶软反应器。用本发明方法制备的量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”催化材料可广泛推广运用作针对环境污水处理、光催化、抗菌杀菌等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器及其原位辐射制备方法,特别是一种通过电离辐射原位制备量子点并有效修饰纳米TiO2复合水凝胶“软反应器”的方法。
背景技术
纳米TiO2半导体氧化物在光催化反应领域,已引起了人们的极大关注。当TiO2半导体吸收了能量大于禁带宽度的光能后,价带电子被激发至导带,产生电子一空穴对,光生空穴具有强氧化性,它能促使许多化学反应发生,如光还原、光催化、光有机合成等。纳米TiO2粒径小、比表面大、表面能高,纳米粒子很容易团聚;另一方面纳米TiO2与表面能比较低的基体的亲和性差,二者在相互混合时不能相溶,导致界面出现空隙,存在相分离现象。为了确保纳米TiO2粒子在材料中以纳米级的尺寸存在,纳米TiO2的表面改性成为必然。同时,从光吸收范围而言,锐钛矿型TiO2的电子激发需吸收光波波长小于<388nm,限制了TiO2仅在紫外区域有比较强的吸收,但在可见光区吸收很弱,要使纳米TiO2在自然光下发生光催化反应,必须对其修饰或改性,以达到应用之目的。
由于纳米TiO2半导体氧化物在光催化反应领域具有广阔的应用前景,使其成为当前科学研究的一个热点。而纳米TiO2在可见光区的光催化性能并不好,为了适应更加宽泛的使用条件和应用范围,对纳米TiO2的结构改性和表面修饰受到了更多的关注和研究。目前纳米TiO2的表面改性研究主要有掺杂过渡金属离子,非金属元素等手段和利用光敏试剂对可见光有较强的吸收,光激发后可将电子转移给TiO2而达到可见光光催化的目的。
量子点(QDs,Quantum Dots)是一种特殊的纳米微粒,又称半导体纳米微晶(semiconductor nanocrysta1s),是一种由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-V族元素组成的稳定的、尺寸在1~100nm之间的纳米晶粒。普通纳米微粒的原子排列通常是杂乱的,而量子点具有类似体相晶体的规整原子排列。量子点激发态上的电子可以有效地注入到TiO2导带中,减少电子与空穴复合的机会,提高TiO2光催化效率。半导体材料的复合可提高电荷的分离效果,扩其光谱响应的范围。
聚合物链所具有的亲水性和稳定效应协同作用,使水凝胶成为一种“软反应器”,完全可以作为光敏抗菌、纳米粒子的制备、有机反应的催化反应器。同时,水凝胶网络为高级催化剂材料的设计提供了新思路,并允许几种不同的催化反应同步进行,提供了比传统的系统更多的协同优势。水凝胶软反应器自身就可以提供酸或碱官能团,可以实现酸碱自调控;氧化还原反应均可进行;能够有效实现抑菌杀菌抗菌,催化降解水溶性染料、颜料、除草剂、杀虫剂等;该水凝胶“软反应器”的基材采用绿色高分子的天然聚多糖,其独特的结构不仅赋予同合成高分子相当甚至更好的功能,而且其常具有无(低)毒、助催化、可生物降解等特性使其应用更加广泛。
传统的水凝胶催化材料普遍采用化学交联法与化学还原法。但是该法制备的水凝胶不仅易在水体中释放残余的剧毒交联剂与还原剂,而且会出现不均匀交联,局部发生“烧焦现象”,并且化学交联难以控制交联度;其次化学还原法制备的量子点不仅不能均匀分布在凝胶骨胶体系,而且其与凝胶分子间的作用力太弱甚至没有,让其易从凝胶孔洞中流失,从而影响了水凝胶的催化稳定性,制约了水凝胶作为多功能材料的应用。为克服化学交联法与化学还原法带来的不足,辐射合成量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”的方法应运而生。
辐射法相对于化学法实现了有效的补充和完善,具体表现为:①反应过程不需要添加任何对人体有毒的物质,交联度高,水凝胶纯度高;②反应条件温和,在室温下即可进行,操作简便,反应周期短;③通过控制聚合物组分和辐照条件可以准确调控水凝胶的力学性能;④水凝胶制备、塑形及量子点的还原过程可同步完成;⑤辐射制备的量子点可均匀分布在负载在凝胶骨胶中的纳米TiO2表面,对纳米TiO2进行有效的修饰且不易流失。从综合和长远的角度看,利用辐照技术制备水凝胶“软反应器”催化材料所花费的经济成本较低。因此,辐射合成技术已成为智能水凝胶及相关催化材料制备极富前景的研究途径。
本发明所要解决的问题是公开一种量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”及其原位辐射制备方法,以克服现有技术存在的上述缺陷。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”及其原位辐射制备方法,既实现了复合水凝胶性能的最大优化,将吸附、催化、抗菌有机统一,实现了催化材料的简易回收再利用,也完成了量子点、TiO2和天然聚多糖水凝胶多元复合协同催化效果。该量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”催化材料具有原位制备、催化效率高、易于回收、成本低等特点,尤其适合环境污水处理、光催化和抗菌杀菌等领域。
一种量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器,其特征在于,按质量分数,其组分包括:
TiO2 0.1%~5.0%
致孔剂 1%~10%
pH调节剂 0.1%~2.0%
天然聚多糖 2%~10%
辐照敏化剂 0.5%~2.5%
量子点前驱体溶液 0.01%~0.1%
羟基自由基清除剂 1.0%~6.0%。
优选地,所述的致孔剂为淀粉、尿素、聚乙二醇、碳酸钙、氯化钠、三氧化二铝中的一种或几种。致孔剂的加入改变了纳米复合水凝胶“软反应器”的微观结构,增强亲水性能,为量子点/TiO2复合物有效均匀负载在水凝胶“软反应器”内部微孔结构提供保障。
优选地,所述的pH调节剂为磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、碳酸氢三钠、己二酸、乙酸、Tris-HCl、亚氨基二乙酸、三乙醇胺中的一种或几种。pH调节剂的引入,可以调节高分子和纳米材料形成的混合乳液体系的等电点和稳定的分散性,确保高分子自身不缠结,有利于后期高分子辐射交联与量子点的原位制备的顺利进行。
优选地,所述的天然聚多糖为壳聚糖及其衍生物、纤维素及其衍生物、海藻酸钠中的一种或几种等中的一种或几种。一种或几种天然聚多糖在辐照的过程中,可以发生自交联或彼此相互交联,提高水凝胶力学性和柔韧性,而且其分子链上引入的特殊官能团还起到协同催化作用。
优选地,所述的辐照敏化剂为胶原蛋白、聚乙烯醇、N-异丙基丙烯酰胺中的一种或几种。在辐照过程中,辐照敏化剂首先迅速产生活性自由基,从而引发天然聚多糖产生活性自由基,彼此之间迅速发生交联而制备出复合水凝胶。辐照敏化剂的引入,缩短了辐照交联所需的时间,提高了生产效率,确保了复合水凝胶具有适当的交联度。
优选地,所述的量子点前驱体溶液为硫化镉、硫化锌、碲化镉、硒化镉、纳米银、石墨烯中的一种。通过辐射交联形成纳米复合水凝胶“软反应器”骨架的同时,同步原位制备的量子点可均匀修饰镶嵌在凝胶骨架中的纳米TiO2,具有高效的光催化活性的量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”催化材料有效形成。
优选地,所述的羟基自由基清除剂为异丙醇、叔丁醇、邻羟基苯甲酸、对苯二甲酸中的一种或几种。羟基自由基清除剂能够有效去除辐照中产生的次级粒子羟基自由基,而其它次级活性粒子不受影响,提高了量子点前驱体溶液的反应率。
本发明的技术方案是:通过循环冷冻制备以天然聚多糖为基材的物理交联的TiO2纳米复合水凝胶,将量子点前驱体与TiO2纳米复合水凝胶共混后,通过电子束辐射原位制备的量子点能够均匀组装到纳米TiO2表面并对其进行有效修饰与敏化,从而形成量子点/TiO2复合物有效负载到水凝胶骨架内的水凝胶“软反应器”催化材料。具体方案为:
一种量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器的原位辐射制备方法,其特征在于:包括步骤:
①、将TiO2、致孔剂、pH调节剂溶于蒸馏水或去离子水,超声搅拌时间为0.5~2h,使其均匀形成稳定的分散体系;
②、制备水凝胶的材料天然聚多糖、辐照敏化剂溶于蒸馏水或去离子水中,搅拌制成均匀高分子溶液;
③、将步骤②所得中间产品缓慢加入到步骤①所得的稳定的分散体系,超声搅拌均匀后,通入N2约为0.5~1h,之后负压下静置除泡;
④、将步骤③所得中间产品进行多次循环冷冻-解冻后,将量子点前驱体溶液、羟基自由基清除剂缓慢加入其中,通入N2约为0.5~1h,之后负压下静置除泡;
⑤、将步骤④所得中间产品转移至厚度为1.5~2.5mm厚的PE密封袋中,并置于电子束下进行原位辐射反应,选择的电子束能量为1~5MeV,辐射剂量为10~90kGy,剂量率为5~30kGy/pass,最后所得的产物即为量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器;
⑥、将步骤⑤所得样品经水洗、干燥、粉碎、过筛、分级,即得不同颗粒度的量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器催化材料微球颗粒。
本发明的有益效果是:
利用电离辐射原位制备量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”,以期实现有利性能的结合,力学性能的提高、光敏抗菌、催化功能的协同增效。
1、将吸附、光催化、抗菌杀菌的有机统一,获得了机械强度优良、膨胀与收缩响应快、易于负载催化剂且性能稳定的水凝胶“软反应器”。
2、同步原位辐射反应获得的量子点能有效修饰位于多孔水凝胶的三维互穿网络结构中纳米TiO2,提高电荷的分离效果,拓展了光谱响应的范围,加强了光催化性能,也使水凝胶力学性能提高,达到了二者优势互补的应用目的。
3、水凝胶“软反应器”能为抗菌、催化提供极其有利的协同增效的反应平台,能动吸附细菌、有机污染物并将降解物溶出,也可能改变催化途径,使得催化剂的作用得以最大发挥。
4、采用生物可降解的天然聚多糖为水凝胶“软反应器”的基材,自身缓慢降解的同时留存的催化剂可回收利用。
5、辐照技术无毒、反应条件温和,反应过程不添加交联剂、引发剂以及任何对人体有毒的物质,可有效避免二次污染。
用本发明方法制备的量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”催化材料可广泛推广运用作针对环境污水处理、光催化、抗菌杀菌等领域。
具体实施方式
以下实施例,仅为了进一步说明本发明,并不限制本发明的内容。
实施例1:将取0.033g纳米TiO2、0.333g碳酸钙和0.033g三乙醇胺,分别加入到26mL去离子水中,超声搅拌时间为0.5h,使其均匀形成稳定的乳液分散体系。将0.167g聚乙烯醇(聚合度1670)投入到95℃的6.5mL去离子水中,搅拌速率为150r/min,加热搅拌时间2h,完全溶解后,冷却至50℃,加入0.667g羧甲基壳聚糖,搅拌1h,使其完全溶解形成均匀溶液后,在搅拌下,加入到上述乳液体系中,继续超声机械搅拌0.5h后,通入N2 0.5h,之后负压下静置除泡2h,注入到15×5×1mm3的PE模具中,经过3次循环冷冻-解冻过程后,将0.0033g硫化镉量子点前驱体溶液、0.333g异丙醇缓慢加入其中,通入N2约为0.5h,之后负压下静置除泡,快速真空冷冻-干燥成型,取出产品用PE薄膜袋真空封装并置于室温下解冻,用电子束加速器辐照,选用辐照剂量为10kGy,剂量率为5kGy/pass的条件进行辐照,即可制备硫化镉量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”,将所得样品经水洗、干燥、粉碎、过筛、分级,即得不同颗粒度的硫化镉量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”催化材料微球颗粒。
取定量产品投入250mL、4mg/L的亚甲基蓝(模拟有机污染物)中,在室温下,对模拟物进行光催化降解实验,反应1h后,测得降解率达到98.6%。
实施例2:将取0.333g纳米TiO2、0.667g氯化钠和0.067g磷酸氢二钠,分别加入到24.5mL去离子水中,超声搅拌时间为0.5h,使其均匀形成稳定的乳液分散体系。将0.334g胶原蛋白投入到45℃的5.5mL去离子水中,搅拌速率为150r/min,加热搅拌时间2h,完全溶解后,加入1.334g羟丙基壳聚糖,搅拌1h,使其完全溶解形成均匀溶液后,在搅拌下,加入到上述乳液体系中,继续超声机械搅拌0.5h后,通入N2 0.5h,之后负压下静置除泡2h,注入到15×5×1mm3的PE模具中,经过3次循环冷冻-解冻过程后,将0.0067g碲化镉量子点前驱体溶液、0.667g邻羟基苯甲酸缓慢加入其中,通入N2约为0.5h,之后负压下静置除泡,快速真空冷冻-干燥成型,取出产品用PE薄膜袋真空封装并置于室温下解冻,用电子束加速器辐照,选用辐照剂量为20kGy,剂量率为10kGy/pass的条件进行辐照,即可制备碲化镉量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”,将所得样品经水洗、干燥、粉碎、过筛、分级,即得不同颗粒度的碲化镉量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”催化材料微球颗粒。
取定量产品投入250mL、4mg/L的甲基橙(模拟有机污染物)中,在室温下,对模拟物进行光催化降解实验,反应1h后,测得降解率达到99.5%。
实施例3:将取0.667g纳米TiO2、1.334g三氧化二铝和0.165g乙酸,分别加入到23.5mL去离子水中,超声搅拌时间为0.5h,使其均匀形成稳定的乳液分散体系。将0.667gN-异丙基丙烯酰胺投入到60℃的4mL去离子水中,搅拌速率为150r/min,加热搅拌时间2h,完全溶解后,加入1.901g羧甲基纤维素,搅拌1h,使其完全溶解形成均匀溶液后,在搅拌下,加入到上述乳液体系中,继续超声机械搅拌0.5h后,通入N2 0.5h,之后负压下静置除泡2h,注入到15×5×1mm3的PE模具中,经过3次循环冷冻-解冻过程后,将0.0165g硒化镉量子点前驱体溶液、1.332g对苯二甲酸缓慢加入其中,通入N2约为0.5h,之后负压下静置除泡,快速真空冷冻-干燥成型,取出产品用PE薄膜袋真空封装并置于室温下解冻,用电子束加速器辐照,选用辐照剂量为30kGy,剂量率为10kGy/pass的条件进行辐照,即可制备硒化镉量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”,将所得样品经水洗、干燥、粉碎、过筛、分级,即得不同颗粒度的硒化镉量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”催化材料微球颗粒。
取定量产品投入250mL、4mg/L的甲基紫(模拟有机污染物)中,在室温下,对模拟物进行光催化降解实验,反应1h后,测得降解率达到100%。
实施例4:将取1.332g纳米TiO2、1.998g淀粉和0.165g亚氨基二乙酸,分别加入到22.5mL去离子水中,超声搅拌时间为0.5h,使其均匀形成稳定的乳液分散体系。将0.667g胶原蛋白投入到45℃的6mL去离子水中,搅拌速率为150r/min,加热搅拌时间2h,完全溶解后,加入1.334g海藻酸钠,搅拌1h,使其完全溶解形成均匀溶液后,在搅拌下,加入到上述乳液体系中,继续超声机械搅拌0.5h后,通入N2 0.5h,之后负压下静置除泡2h,注入到15×5×1mm3的PE模具中,经过3次循环冷冻-解冻过程后,将0.0165g纳米银量子点前驱体溶液、1.332g叔丁醇缓慢加入其中,通入N2约为0.5h,之后负压下静置除泡,快速真空冷冻-干燥成型,取出产品用PE薄膜袋真空封装并置于室温下解冻,用电子束加速器辐照,选用辐照剂量为60kGy,剂量率为20kGy/pass的条件进行辐照,即可制备纳米银量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”,将所得样品经水洗、干燥、粉碎、过筛、分级,即得不同颗粒度的纳米银量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”催化材料微球颗粒。
取定量产品投入250mL、4mg/L的甲基橙(模拟有机污染物)中,在室温下,对模拟物进行光催化降解实验,反应1h后,测得降解率达到96.1%。
实施例5:将取1.650g纳米TiO2、3.330g尿素和0.660g己二酸,分别加入到20mL去离子水中,超声搅拌时间为0.5h,使其均匀形成稳定的乳液分散体系。将0.835g聚乙烯醇(聚合度1670)投入到95℃的3.5mL去离子水中,搅拌速率为150r/min,加热搅拌时间2h,完全溶解后,冷却至50℃,加入3.330g羧甲基壳聚糖,搅拌1h,使其完全溶解形成均匀溶液后,在搅拌下,加入到上述乳液体系中,继续超声机械搅拌0.5h后,通入N2 0.5h,之后负压下静置除泡2h,注入到15×5×1mm3的PE模具中,经过3次循环冷冻-解冻过程后,将0.033g石墨烯量子点前驱体溶液、1.998g叔丁醇缓慢加入其中,通入N2约为0.5h,之后负压下静置除泡,快速真空冷冻-干燥成型,取出产品用PE薄膜袋真空封装并置于室温下解冻,用电子束加速器辐照,选用辐照剂量为90kGy,剂量率为30kGy/pass的条件进行辐照,即可制备石墨烯量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”,将所得样品经水洗、干燥、粉碎、过筛、分级,即得不同颗粒度的石墨烯量子点/TiO2纳米复合水凝胶“软反应器”催化材料微球颗粒。
取定量产品投入250mL、4mg/L的亚甲基蓝(模拟有机污染物)中,在室温下,对模拟物进行光催化降解实验,反应1h后,测得降解率达到95.4%。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案;因此,尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明,但是,本领域的普通技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或等同替换;而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进,其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (8)
1.一种量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器,其特征在于,按质量分数,其组分包括:
TiO2 0.1%~5.0%
致孔剂 1%~10%
pH调节剂 0.1%~2.0%
天然聚多糖 2%~10%
辐照敏化剂 0.5%~2.5%
量子点前驱体溶液 0.01%~0.1%
羟基自由基清除剂 1.0%~6.0%。
2.根据权利要求1所述的量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器,其特征在于:所述的致孔剂为淀粉、尿素、聚乙二醇、碳酸钙、氯化钠、三氧化二铝中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器,其特征在于:所述的pH调节剂为磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、碳酸氢三钠、己二酸、乙酸、Tris-HCl、亚氨基二乙酸、三乙醇胺中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器,其特征在于:所述的天然聚多糖为壳聚糖及其衍生物、纤维素及其衍生物、海藻酸钠中的一种或几种等中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器,其特征在于:所述的辐照敏化剂为胶原蛋白、聚乙烯醇、N-异丙基丙烯酰胺中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器,其特征在于:所述的量子点前驱体溶液为硫化镉、硫化锌、碲化镉、硒化镉、纳米银、石墨烯中的一种。
7.根据权利要求1所述的量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器,其特征在于:所述的羟基自由基清除剂为异丙醇、叔丁醇、邻羟基苯甲酸、对苯二甲酸中的一种或几种。
8.根据权利要求1-权利要求7中任意一项权利要求所述的量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器的原位辐射制备方法,其特征在于:包括步骤:
①、将TiO2、致孔剂、pH调节剂溶于蒸馏水或去离子水,超声搅拌时间为0.5~2h,使其均匀形成稳定的分散体系;
②、制备水凝胶的材料天然聚多糖、辐照敏化剂溶于蒸馏水或去离子水中,搅拌制成均匀高分子溶液;
③、将步骤②所得中间产品缓慢加入到步骤①所得的稳定的分散体系,超声搅拌均匀后,通入N2约为0.5~1h,之后负压下静置除泡;
④、将步骤③所得中间产品进行多次循环冷冻-解冻后,将量子点前驱体溶液、羟基自由基清除剂缓慢加入其中,通入N2约为0.5~1h,之后负压下静置除泡;
⑤、将步骤④所得中间产品转移至厚度为1.5~2.5mm厚的PE密封袋中,并置于电子束下进行原位辐射反应,选择的电子束能量为1~5MeV,辐射剂量为10~90kGy,剂量率为5~30kGy/pass,最后所得的产物即为量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器;
⑥、将步骤⑤所得样品经水洗、干燥、粉碎、过筛、分级,即得不同颗粒度的量子点/TiO2纳米复合水凝胶软反应器催化材料微球颗粒。
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