酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2及其应用

摘要

本发明公开了一种酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2及其应用，以酸法纳米纤维素为模板、四氯化钛为钛源，采用液相水解-沉淀法制得介孔TiO2；本发明以环境友好的生物可再生资源酸法纳米纤维素为模板剂，通过调节纤维素的长度、直径等设计出理想的模板剂结构，定向制备特定孔隙结构、满足治理特殊污染物需求的新型TiO2介孔功能材料。本发明对介孔材料的合成及实现水体污染深度净化方面具有一定的理论和现实意义。

权利要求

1.一种酸法纳米纤维素模板合成介孔TiO2的方法，其特征在于：所述的介孔TiO2是以酸法纳米纤维素为模板、四氯化钛为钛源，采用液相水解-沉淀法制得的；

制备方法的具体步骤如下：

1)在100~300mL去离子水中加入100~400mL酸法纳米纤维素胶体溶液；

2)用浓度为 0.1~1.0mol/L的盐酸溶液调节步骤1）溶液的pH至3~5；

3)边搅拌边滴加5~25mL的TiCl4，反应20~40min；

4)升温至70~90℃，用质量分数为10~30%的氨水调节步骤3）溶液的pH值至中性，反应30~60min；

5)将步骤4)反应后的物料陈化8~15h，水洗2~4次后再采用乙醇清洗1~3次；将清洗后的物料在80~95℃下真空烘干12-24h，研磨；

6)将研磨后的物料放进石英管式反应器，通入氧气，以10~30℃/min的速率升温至

300~800℃，保温1~4h，自然冷却至室温，即制得所述的酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2；

所述的酸法纳米纤维素的长度为100~200nm，直径为10~20 nm；

步骤1）所述的酸法纳米纤维素胶体溶液的制备方法是将5g的微晶纤维素置于250mL质量分数为30~50%的硫酸溶液中，在30~50℃下超声波处理1~5h，得到乳白色悬浮液，离心洗涤至溶液pH值为6且滴加0.1 mol/L的BaCl2无白色沉淀产生；再超声20~60min，即得酸法纳米纤维素胶体溶液；

步骤6）所述的氧气的流速为10~50mL/min；

所述的介孔TiO2应用于水体污染深度净化。

说明书

酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2及其应用

技术领域

[0001] 本发明属于多孔材料合成方法领域，更具体涉及一种酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2及其应用。

背景技术

[0002] TiO2微粒界面的光诱导电子在转移过程所诱发的光化学反应对消除环境中有机污染物质具有显著效果。但因采用传统方法制备的TiO2颗粒团聚现象严重、比表积较小、对污染的吸附能力弱，催化效率低等，大大限制了TiO2光催化氧化技术实际应用。 [0003] 介孔TiO2具有较大的比表面积、较好的表面渗透性、较强的吸附性能和较高的捕光效率等，在降解有机物时具有比普通TiO2更高的光催化效率，因此成为人们研究的热点。但传统制备介孔TiO2的方法大多都用到各种有机溶剂或模板剂(表面活性剂、嵌段共聚物、非表面活性剂有机小分子、微乳液液滴及聚合物微球形成的胶体晶体等)，大多数方法对环境污染较大，合成条件相对苛刻，所制备的材料性能也不甚理想。因此寻找一种合适的方法制备多孔的TiO2成为研究的热点。近年来，一些学者以可再生资源纤维素为模板剂合成介孔材料，利用纤维素在水溶液中能够分散成均匀的网状结构，同时其表面含有大量的羟基能够参与反应生成晶核，以引导晶粒自组装成具有一定形貌结构，展现出良好的效果。
课题组之前报道的，以碱法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2光催化剂，该TiO2具有良好的孔隙结构和较高的比表面积，在光催化降解苯酚时表现出较高的催化活性。但在降解偶氮染料类污染物时，活性较酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2光催化剂低。 发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2及其应用，以环境友好的生物可再生资源酸法纳米纤维素为模板剂，通过调节纤维素的长度、直径等设计出理想的模板剂结构，定向制备特定孔隙结构、满足治理特殊污染物需求的新型TiO2介孔功能材料。本发明对介孔材料的合成及实现水体污染深度净化方面具有一定的理论和现实意义。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0006] 一种酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2是以酸法纳米纤维素为模板、四氯化钛为钛源，采用液相水解-沉淀法制得的；

[0007] 制备方法的具体步骤如下：

[0008] 1)在100~300mL去离子水中加入100~400mL酸法纳米纤维素胶体溶液；

[0009] 2)用浓度为 0.1~1.0mol/L的盐酸溶液调节步骤1）溶液的pH至3~5；

[0010] 3)边搅拌边滴加5~25mL的TiCl4，反应20~40min；

[0011] 4)升温至70~90℃，用质量分数为10~30%的氨水调节步骤3）溶液的pH值至中性，反应30~60min；

[0012] 5)将步骤4)反应后的物料陈化8~15h，水洗2~4次后再采用乙醇清洗1~3次；将清洗后的物料在80~95℃下真空烘干12-24h，研磨；

[0013] 6)将研磨后的物料放进石英管式反应器，通入氧气，以10~30℃/min的速率升温至300~800℃，保温1~4h，自然冷却至室温，即制得所述的酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2。

[0014] 所述的酸法纳米纤维素的长度为100~200nm，直径为10~20 nm。 [0015] 步骤1）所述的酸法纳米纤维素胶体溶液的制备方法是将5g的微晶纤维素置于250mL质量分数为30~50%的硫酸溶液中，在30~50℃下超声波处理1~5h，得到乳白色悬浮液，离心洗涤至溶液pH值为6且滴加0.1 mol/L的BaCl2无白色沉淀产生；再超声20~60min，即得酸法纳米纤维素胶体溶液。

[0016] 步骤6）所述的氧气的流速为10~50mL/min。

[0017] 一种酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2的应用是将介孔TiO2应用于水体污染深度净化。

[0018] 本发明的显著优点在于：以环境友好的生物可再生资源酸法纳米纤维素为模板剂，通过调节纤维素的长度、直径等设计出理想的模板剂结构，定向制备特定孔隙结构、满足治理特殊污染物需求的新型TiO2介孔功能材料。本发明对介孔材料的合成及实现水体污染深度净化方面具有一定的理论和现实意义。

附图说明

[0019] 图1为不同TiO2对含甲基橙废水的光催化降解曲线图。

[0020] 图2为酸法纳米纤维素模板剂合成介孔TiO2的及无模板合成TiO2的吸附脱附曲线图。

[0021] 图3为酸法纳米纤维素模板剂合成介孔TiO2的及无模板合成TiO2的孔径分布图。 [0022] 图4为酸法纳米纤维素模板剂合成介孔TiO2透射电镜图。

[0023] 图5为无模板合成TiO2透射电镜图。

[0024] 图6为酸法纳米纤维素模板剂合成介孔TiO2的XRD图。

[0025] 图7为酸法纳米纤维素模板剂合成介孔TiO2的热重/差热图。

[0026] 图8为无模板合成TiO2的热重/差热图。

具体实施方式

[0027] 实施例1

[0028] 一种酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2是以酸法纳米纤维素为模板、四氯化钛为钛源，采用液相水解-沉淀法制得的；

[0029] 制备方法的具体步骤如下：

[0030] 1)在150mL去离子水中加入100mL酸法纳米纤维素胶体溶液；

[0031] 2) 用0.1mol/L的盐酸调节溶液的pH至3~5；

[0032] 3)边搅拌边滴加10mL的TiCl4，反应30min；

[0033] 4)升温至80℃，用10%的氨水调节溶液的pH值至中性，反应30min；

[0034] 5)将步骤4)反应后的物料陈化10h，水洗4次后再采用乙醇清洗3次；将清洗后的物料在85℃下真空烘干12h），研磨；

[0035] 6)将研磨后的物料放进石英管式反应器，通入氧气，以10℃/min的速率升温至500℃，保温2h，自然冷却至室温，即制得所述的酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2。

[0036] 所述的酸法纳米纤维素的长度为100~200nm，直径为10~20 nm。 [0037] 步骤1）所述的酸法纳米纤维素胶体溶液的制备方法是将5g的微晶纤维素置于250mL质量分数为35%的硫酸溶液中，在40℃下超声波处理4h，得到乳白色悬浮液，离心洗涤至溶液pH值为6，滤液滴加0.1 mol/L的BaCl2无白色沉淀产生，再超声30min，即得酸法纳米纤维素胶体溶液。

[0038] 步骤6）所述的氧气的流速为40mL/min。

[0039] 实施例2

[0040] 一种酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2是以酸法纳米纤维素为模板、四氯化钛为钛源，采用液相水解-沉淀法制得的；

[0041] 制备方法的具体步骤如下：

[0042] 1)在100mL去离子水中加入400mL酸法纳米纤维素胶体溶液；

[0043] 2) 用1.0mol/L的盐酸调节溶液的pH至3；

[0044] 3)边搅拌边滴加25mL的TiCl4，反应20min；

[0045] 4)升温至90℃，用30%的氨水调节溶液的pH值至中性，反应30min；

[0046] 5)将步骤4)反应后的物料陈化8h，水洗4次后再采用乙醇清洗1次；将清洗后的物料在80℃下真空烘干24h，研磨；

[0047] 6)将研磨后的物料放进石英管式反应器，通入氧气，以30℃/min的速率升温至800℃，保温1h，自然冷却至室温，即制得所述的酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2。

[0048] 所述的酸法纳米纤维素的长度为100~200nm，直径为10~20 nm。 [0049] 步骤1）所述的酸法纳米纤维素胶体溶液的制备方法是将5g的微晶纤维素置于250mL质量分数为30%的硫酸溶液中，在50℃下超声波处理1h，得到乳白色悬浮液，离心洗涤至溶液pH值为6，滤液滴加0.1 mol/L的BaCl2无白色沉淀产生，再超声20min，即得酸法纳米纤维素胶体溶液。

[0050] 步骤6）所述的氧气的流速为50mL/min。

[0051] 实施例3

[0052] 一种酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2是以酸法纳米纤维素为模板、四氯化钛为钛源，采用液相水解-沉淀法制得的；

[0053] 制备方法的具体步骤如下：

[0054] 1)在300mL去离子水中加入100mL酸法纳米纤维素胶体溶液；

[0055] 2) 用0.5mol/L的盐酸调节溶液的pH至5；

[0056] 3)边搅拌边滴加5mL的TiCl4，反应40min；

[0057] 4)升温至70℃，用20%的氨水调节溶液的pH值至中性，反应30min；

[0058] 5)将步骤d)反应后的物料陈化8h，水洗4次后再采用乙醇清洗3次；将清洗后的物料在95℃下真空烘干18h，研磨；

[0059] 6)将研磨后的物料放进石英管式反应器，通入氧气，以10℃/min的速率升温至300℃，保温4h，自然冷却至室温，即制得所述的酸法纳米纤维素模板合成的介孔TiO2。

[0060] 所述的酸法纳米纤维素的长度为100~200nm，直径为10~20 nm。 [0061] 步骤1）所述的酸法纳米纤维素胶体溶液的制备方法是将5g的微晶纤维素置于250mL质量分数为50%的硫酸溶液中，在30℃下超声波处理1h，得到乳白色悬浮液，离心洗涤至溶液pH值为6，滤液滴加0.1 mol/L的BaCl2无白色沉淀产生，再超声60min，即得酸法纳米纤维素胶体溶液。

[0062] 步骤6）所述的氧气的流速为10mL/min。

[0063] 应用例1

[0064] 图1为不同方法合成的TiO2对含甲基橙废水的光催化降解实验。由图可以看出，以酸法纳米纤维素为模板剂合成的介孔TiO2 (acid)光催化活性明显高于无模板剂合成的TiO2(without template)、P-25 TiO2以及之前报道的以碱法纤维素为模板剂合成的TiO2 (alkali)光催化活性。以酸法纳米纤维素为模板剂合成的介孔TiO2在120 min内实现对甲基橙的完全去除，而相同条件下以碱法纳米纤维素为模板合成的TiO2需要160 min，无模板剂合成的TiO2及P-25 TiO2在160 min内对甲基橙的降解率才93.5%和97.1%。

[0065] 应用例2

[0066] 表1为不同方法合成的TiO2对含酸性红染料废水的光催化降解实验。由表可以看出，以酸法纳米纤维素为模板剂合成的介孔TiO2 (acid)对含酸性红染料废水COD的去除率明显高于无模板剂合成的TiO2(without template)、P-25 TiO2以及之前报道的以碱法纤维素为模板剂合成的TiO2 (alkali)对含酸性红染料废水COD的去除率。

[0067] 表1 不同TiO2对含酸性红染料废水的光催化降解

[0068]

[0069] 应用例3

[0070] 表2为不同方法合成的TiO2对含黑ATT染料废水的光催化降解实验。由表可以看出，以酸法纳米纤维素为模板剂合成的介孔TiO2 (acid)对含黑ATT染料废水COD的去除率明显高于无模板剂合成的TiO2(without template)、P-25 TiO2以及之前报道的以碱法纤维素为模板剂合成的TiO2 (alkali)对含黑ATT染料废水COD的去除率。

[0071] 表2 不同TiO2对含黑ATT染料废水的光催化降解

[0072]

[0073] 表征与结果讨论

[0074] 图2为无模板剂合成TiO2(without template)及以酸法纳米纤维素为模板剂合成TiO2 (acid)样品的N2吸附-脱附等温线图。由图可知，两种样品的吸附等温线均呈现IV型等温线，且具有滞后环。在相对压力较低时，吸附量随着相对压力升高而逐渐增加，此时N2分子以单层或多层吸附在孔内表面；当相对压力为0.6~0.9时，吸附量产生突跃，这是由于N2在介孔孔道中发生毛细凝结所致，曲线中所形成滞后环证明催化剂存在介孔结构；当N2相对压力大于0.9时，吸附量基本不变，说明吸附已达到饱和。

[0075] 图3为无模板剂合成TiO2(without template)及以酸法纳米纤维素为模板剂合成TiO2 (acid)样品的孔径分布图。由图可知，以酸法纳米纤维素为模板剂合成的TiO2孔径主要分布在1.5~9 nm间；无模板剂合成的TiO2孔径主要分布在1.0~11 nm之间。以酸2
法纳米纤维素为模板剂合成的TiO2比表面积为191.7 m/g，高于无模板剂合成的TiO2比表
2 2
面积(43.8 m/g)及P-25 TiO2比表面积(50.0 m/g)。由此可见，加入模板剂后TiO2的比表面积、孔容积增加。

[0076] 图4、5为无模板剂合成TiO2(without template)及以酸法纳米纤维素为模板剂合成TiO2 (acid)光催化剂的TEM照片。从图中可看出，以酸法纳米纤维素为模板剂合成的TiO2颗粒中充满了小孔，且小孔分布较均匀。这一结果进一步证明，酸法纳米纤维素模板剂的加入有利于合成疏松多孔的TiO2光催化剂。

[0077] 图6以酸法纳米纤维素为模板剂合成TiO2 (acid)光催化剂的XRD谱。可以看出，酸法纳米纤维素的加入并未引起锐钛矿或金红石相TiO2特征峰移动现象。焙烧前TiO2前驱体为无定型结构，经300 ℃焙烧就已基本转变为锐钛矿相；至400 ℃时，锐钛矿晶核生长趋于完善，具有较高的结晶度；500 ℃时开始有少量金红石相(5 %)出现；600 ℃时为锐钛矿与金红石相(36 %)的混晶结构；700℃时已完全转变为金红石相结构。而相同条件下不加模板剂合成的TiO2开始相变的温度在400~500 ℃之间，到500 ℃时金红石相含80 %；600 ℃时已完全转变为金红石相结构。由此可见，酸法纳米纤维素模板剂的加入在一定程度上提高了锐钛矿TiO2向金红石相转变的温度。

[0078] 图7、8为无模板剂合成TiO2(without template)粉末及以酸法纳米纤维素为模板剂合成TiO2 (acid)粉末的TG/DSC分析曲线。由图可见：无模板剂合成的TiO2(without template)在50~140 ℃处吸热峰是由水的蒸发而产生，峰值为91.7 ℃，在400~440 ℃处小的放热峰是锐钛矿相TiO2向金红石型转化过程的放热，峰值为428.6℃。以酸法纤维素为模板剂合成的TiO2(acid)在50~200℃处吸热峰是由水和有机物的蒸发而产生，峰值为101.6℃；在230~310℃处放热峰是有机物燃烧所产生，峰值为286.8℃；在400~520℃处的放热峰是锐钛矿相TiO2向金红石型转化过程的放热，同时还包括残余炭进一步氧化燃烧的放热，峰值为461.4℃。由此可见，酸法纳米纤维素模板剂的加入提高了锐钛矿相TiO2向金红石相转变的温度，这与XRD的测试结果相一致。

[0079] 另外，无模板剂合成的TiO2(without template)失重主要集中在20~190 ℃和190~450 ℃两个温度区间，分别为TiO2催化剂表面物理吸附水和体内结合水，失重率为
21.37%和5.79%。以酸法纳米纤维素为模板剂合成的TiO2(acid)失重主要集中在50~180 ℃、180~320 ℃和320~520 ℃三个温度区间，分别为催化剂表面物理吸附水蒸发，有机物燃烧及其残余炭的氧化燃烧和体内结合水，失重率为19.11%、16.26%和8.62%。 [0080] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。