负载型Pt/TiO2/Al2O3纤维复合光催化剂及其制备方法

摘要

本发明涉及一种负载型Pt/TiO2/Al2O3纤维复合光催化剂及其制备方法。该催化剂以/Al2O3纤维为载体，负载有Pt/TiO2而形成的复合光催化剂，其中Pt/TiO2的质量为Al2O3纤维的质量的 10%；而Pt/TiO2中Pt与TiO2的质量比为5:1000。本发明所得负载型催化剂的催化活性接近于分散于溶液中的光催化剂，具有高的催化活性，且具有很好的稳定性，可重复使用。Al2O3纤维本身很轻，容易悬浮于水中，十分便于回收。制备方法简单高效，可以进行大量制备，成本较低，在水处理污染物应用领域具有实际意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米光催化剂功能材料及其制备方法，特别是一种负载型Pt/TiO₂/Al₂O₃纤维复合光催化剂及其制备方法。

技术背景

近三十年来我国处于工业化高速发展期，国家的综合国力和人民的生活水平不断提升，但是生态环境遭受到严重的破坏。其中水污染问题尤为严重，废水中含有大量难以生物降解的有机污染物，如氯苯有机物、氯酚化合物等。这些物质严重危害人类健康，因此运用低成本技术处理水中有机污染物是急需解决的重大问题。

光催化降解有机污染物具有反应条件温和，无二次污染，处理成本较低等优点。由于光催化反应中本身不会消耗掉，又没有不良副作用，因此成为治理水污染的重要方法之一。

纳米二氧化钛作为光催化剂，因其具有光稳定性、高效性、无毒、廉价等优点而备受人们的青睐。然而，在实际运用中主要存在两个问题制约着二氧化钛光催化剂的广泛应用：（1）锐钛矿型二氧化钛的禁带宽度为3.2eV，只能吸收能量较高的紫外线，太阳光的利用率低；（2）纳米二氧化钛粉体在污水处理过程中易团聚失活、颗粒本身容易沉降而使催化效果下降，并且催化剂回收也相当困难，使用成本较高并因此造成水的二次污染等问题。因此，对二氧化钛进行改性和负载以改进二氧化钛的光催化效果。

将微量的纳米Pt粒子负载在二氧化钛半导体表面，使光照后生成的电子和空穴分别定域在Pt粒子和半导体二氧化钛粒子上，发生分离，然后电子和空穴各自在不同的位置发生氧化-还原反应。由于纳米Pt粒子负载后抑制了电子和空穴的复合，从而大大提高了纳米二氧化钛光催化剂的光催化活性和选择性。

在负载二氧化钛的技术中，已报道采用的载体有玻璃珠、玻璃板、多孔氧化铝陶瓷膜、活性炭纤维等。通常在负载过程中催化剂的活性因比表面的改变而降低，催化剂与载体结合的稳定性差，容易脱落，有些制备工艺十分复杂，价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种负载型Pt/TiO₂/Al₂O₃纤维复合光催化剂。

本发明的目的之二在于提供该催化剂的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种负载型Pt/TiO₂/Al₂O₃纤维复合光催化剂，其特征在于该催化剂以/Al₂O₃纤维为载体，负载有Pt/TiO₂而形成的复合光催化剂，其中Pt/TiO₂的质量为Al₂O₃纤维的质量的 10%；而Pt/TiO₂中Pt与TiO₂的质量比为 5:1000。

上述的TiO₂为锐钛矿型纳米二氧化钛。

一种制备上述的负载型Pt/TiO₂/Al₂O₃纤维复合光催化剂，其特征在于该方法的具体步骤为：

A. 将二氧化钛纳米粉末加入到浓度为0.01mol/L的 H₂PtCl₆水溶液中，并控制Pt与二氧化钛的摩尔比为 1:480；然后加入体积比V_甲醇/V_水=1：10的甲醇水溶液；调节溶液pH值至6.8~7.0；搅拌均匀后用300W氙灯光照3~5小时；通过离心分离、水洗得到复合物；该复合物经烘干、冷却后研磨得到灰黑色粉末；将该灰黑色粉末在400~500⁰C煅烧2~4小时；得到灰黑色的Pt/TiO₂粉末；

b.将Al₂O₃纤维用乙醇超声洗涤3~5次，烘干在200~300⁰C热处理3~5小时；将步骤A所得 Pt/TiO₂粉末分散于水溶液中，超声5~15分钟；将Al₂O₃纤维浸渍在该溶液中，使得Pt/TiO₂粉末均匀吸附于Al₂O₃纤维表面；经烘干后，在200~300⁰C热处理2~3小时，得到负载型Pt/TiO₂/Al₂O₃纤维催化剂C；其中Pt/TiO₂粉末与Al₂O₃纤维的质量比为          。

本发明所制备的负载型Pt/TiO₂/Al₂O₃纤维光催化剂的优点为：本发明所得负载型催化剂的催化活性接近于分散于溶液中的光催化剂，具有高的催化活性，且具有很好的稳定性，可重复使用。Al₂O₃纤维本身很轻，容易悬浮于水中，十分便于回收。制备方法简单高效，可以进行大量制备，成本较低，在水处理污染物应用领域具有实际意义。

附图说明

图1为锐钛矿型纳米二氧化钛的XRD图；

图2为Pt/TiO₂复合催化剂的XRD图；

图3为负载型Pt/TiO₂/Al₂O₃纤维催化剂的SEM图；

图4为锐钛矿型纳米二氧化钛催化剂与Pt/TiO₂复合催化剂对甲基橙光降解效率比较图；

图5为不同条件下Pt/TiO₂复合催化剂和本发明的负载型Pt/TiO₂/Al₂O₃纤维催化剂对甲基橙光降解效率测试比较图；

图6为本发明的Pt/TiO₂/Al₂O₃纤维复合催化剂光降解甲基橙重复性试验。

具体实施方式

实施例一：锐钛矿型纳米二氧化钛的低温溶胶凝胶制备方法请参见文献Sifang Li,* Guoliang Ye, and Guoqin Chen. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 4031，具体为：将10g钛酸丁酯溶解于40ml无水乙醚中，再往里加入12ml冰醋酸，充分搅拌1小时。逐滴加入冰醋酸和水的混合溶液（10ml水，5ml冰醋酸），充分搅拌1~3小时。将生成的白色凝胶密封静置1~3天，除去上层清液，将下层凝胶在120⁰C烘干，冷却后研磨成粉末。用去离子水反复洗涤，离心，直至产物成中性。将产物在100~120⁰C烘干，研磨成粉末，然后将粉末放入坩埚中，在空气气氛下，400~500⁰C煅烧1~3小时。最后得到白色粉末锐钛矿型纳米二氧化钛催化剂A，其XRD图参见图1。

实施例二：向0.5g实施例一所得锐钛矿型纳米二氧化钛粉末A中加入1.30ml 0.01mol/L的 H₂PtCl₆水溶液，然后加入250ml（V_甲醇/V_水=1:10）甲醇水溶液，用NaOH水溶液调节溶液pH值至6.8~7.0左右。搅拌均匀后用300W氙灯光照3~5小时。光照后，通过离心、水洗得到复合物。离心后产物在100~120⁰C烘干，冷却后研磨得到灰黑色粉末。在空气气氛下，400~500⁰C煅烧2~4小时。得到灰黑色的0.5wt% Pt/TiO₂粉末催化剂B。参见附图2。

实施例三：将市购Al₂O₃纤维用乙醇超声洗涤3~5次，烘干。在空气气氛下，200~300⁰C热处理3~5小时。取20mg的实施例二所得0.5wt% Pt/TiO₂粉末B分散于水溶液中，超声5~15分钟。将Al₂O₃纤维200mg浸渍在溶液中，使得粉末B均匀吸附于Al₂O₃纤维表面。烘干后，在空气气氛下，200~300⁰C热处理2~3小时，得到负载型Pt/TiO₂/Al₂O₃纤维光复合催化剂C。参见附图3。

负载型光催化剂的催化活性和稳定性能测试

文献Sifang Li,* Guoliang Ye, and Guoqin Chen. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 4031表明催化剂A比起商业用的二氧化钛光催化剂Degussa P-25，显示出更高的光催化活性。我们以甲基橙溶液的降解率大小来测量催化剂A和催化剂B的光催化活性。实验条件为：实验选用初始浓度为5mg/L 100ml的甲基橙溶液。催化剂A和催化剂B的质量都是20mg。用18W紫外灯照射2小时，每隔15分钟取样分析，用紫外可见分光光度计检测剩余甲基橙浓度，并计算降解率。实验结果表明催化剂B的光催化活性比催化剂A更高。光照半小时后催化剂A和催化剂B的甲基橙降解率分别为44.5%和74.5%。因此Pt/TiO₂催化剂B显示出高的光催化活性。（附图4）

我们继续以甲基橙溶液的降解率大小来评价催化剂C的催化活性。实验条件为：实验选用初始浓度为5mg/L 100ml的甲基橙溶液。实验中催化剂0.5wt% Pt/TiO₂粉末B所含的质量都是20mg。18W紫外灯照射2小时，每隔15分钟取样分析，用紫外可见分光光度计检测剩余甲基橙的浓度，并计算降解率。分别做3组平行实验。

第一组实验，催化剂B分散于甲基橙溶液中。整个光化学反应过程始终处于搅拌状态。第二组实验，催化剂B分散于甲基橙溶液中。整个光化学反应过程处于静置状态。第三组实验，Pt/TiO₂/Al₂O₃纤维催化剂C。将催化剂C浸入甲基橙溶液中。整个光化学反应过程处于静置状态。

实验结果显示，光照1个小时后三组实验甲基橙溶液的降解率都超过90%。由于在实际应用中水处理有机污染物大多处于静态环境，因此负载型Pt/TiO₂/Al₂O₃纤维催化剂显示出高的催化活性，同时催化剂C容易悬浮于水中，易回收，可重复使用，能用于实际的污水处理。（附图5）

Pt/TiO₂/Al₂O₃纤维催化剂C降解甲基橙溶液后，用蒸馏水浸泡2小时。烘干后，继续作为催化剂进行光降解试验，实验条件相同，共重复2次。实验结果显示，光照1个小时后3次试验甲基橙的降解率分别达到94.0%,92.6%和87.7%，考虑实验误差等因素，实验结果说明负载型Pt/TiO₂/Al₂O₃纤维催化剂具有较好的稳定性。（附图6 ）。