本發(fā)明涉及納米催化劑和光催化，尤其涉及一種晶面調(diào)控的純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑及其制備方法，以及該催化劑在環(huán)境污染物nox治理中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、環(huán)境污染是影響人類生活和地球生態(tài)穩(wěn)定的主要問題之一。有毒氣體如氮氧化物(nox,95％no)、臭氧(o3)、二氧化硫(so2)、一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)、甲烷(ch4)等是造成環(huán)境污染的因素之一。其中，nox是造成臭氧層損耗、光化學(xué)煙霧、酸雨和呼吸系統(tǒng)疾病的主要原因。根據(jù)國際能源署(iea)的數(shù)據(jù)，每年約有650萬人死于nox空氣污染。因此，過去幾十年來，人們付出了很多努力來克服這一問題，包括選擇性催化氧化、選擇性催化還原、液體溶劑吸收和電子束吸收。然而，這些技術(shù)能量消耗大，且不能將nox除至200ppm以下。因此，開發(fā)出一種能將nox除至痕量水平的能耗低的環(huán)保的技術(shù)至關(guān)重要。

2、近年來，不同活性和選擇性的催化劑在不同的研究領(lǐng)域已被廣泛關(guān)注。最近，半導(dǎo)體光催化劑，如tio2、zno、bi2wo3、wo3、g-c3n4，由于其在太陽光下的定向轉(zhuǎn)化而受到極大關(guān)注。其中，tio2由于其高光催化活性、高化學(xué)穩(wěn)定性和低成本而被認為是最有前途的nox去除光催化劑。tio2被認為是氣相光氧化反應(yīng)的黃金標準光催化劑。此外，tio2具有適合于通過氧化吸附水和氧還原來產(chǎn)生羥基自由基(oh·)的能帶結(jié)構(gòu)。銳鈦礦型、金紅石型和板鈦礦型是tio2在自然界中的三種主要晶體形態(tài)，它們是由邊緣連接或共享錯位的tio6八面體構(gòu)成的。在這些形態(tài)中，板鈦礦型是最少研究的形式，這是由于純板鈦礦型tio2合成困難且其熱力學(xué)處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。目前報道了不同的板鈦礦型tio2合成方法，如納米棒、納米管、納米花、納米球和納米片。然而，這些方法在獲得高選擇性的純板鈦礦型tio2方面仍存在不足。仍然需要一種合適的方法來合成高活性和高選擇性的純板鈦礦型tio2。

3、在光催化過程中，電子(e-)和空穴(h+)的產(chǎn)生取決于光源與光催化劑的帶隙能級差異。當光的能量大于光催化劑的帶隙能級時，電子(e-)和空穴(h+)會被產(chǎn)生。光催化劑的活性主要取決于活性自由基的形成和電子-空穴復(fù)合速率之間的競爭。這些產(chǎn)生的電子和空穴分別與吸附的o2和h2o分子發(fā)生作用，生成活性物質(zhì)o2·-和oh·。這些活性物質(zhì)會與nox發(fā)生反應(yīng)，生成no2和no3-。然而，光生電子和空穴的快速復(fù)合速率(10皮秒)是光催化劑活性的主要障礙，必須加以控制。晶體結(jié)構(gòu)工程被認為是克服這些限制的有效途徑。

4、晶面工程是優(yōu)化表面反應(yīng)性或改善電子能帶結(jié)構(gòu)的有效方法。lin等人發(fā)現(xiàn)，板鈦礦型tio2的光催化活性高度依賴于晶面，其中(201)晶面在光催化過程中起氧化作用，而(210)和(101)晶面則起還原作用(j.am.chem.soc.,2012,134,8328-8331)。同樣，katsumata等人報道，純板鈦礦型tio2的(001)和(210)晶面在乙醛分解產(chǎn)生co2的光催化反應(yīng)中要優(yōu)于標準的tio2?degussa?p25(acs?appl.mater.interfaces,2012,4,4846-4852)。最近，zhou等人發(fā)現(xiàn)，板鈦礦納米片的(111)晶面，板鈦礦納米棒的(121)晶面和板鈦礦納米片的(211)晶面在苯加氫生成環(huán)己烯催化效率上表現(xiàn)更出色(chem.eng.j.,2024,484,149635-149652)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種晶面調(diào)控的純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑及其制備方法，以及在環(huán)境污染治理領(lǐng)域的應(yīng)用。

2、為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一方面，本發(fā)明提供一種晶面調(diào)控的純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑，其暴露(120)、(111)和(110)活性晶面。

4、本發(fā)明還提供一種所述晶面調(diào)控的純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑的制備方法，包括如下步驟：

5、1)按預(yù)設(shè)比例將tio2前體、模板劑混合于添加劑的溶液中，得到混合溶液；

6、2)將步驟1)獲得的混合溶液轉(zhuǎn)移到水熱合成反應(yīng)釜中，加熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后離心收集產(chǎn)物，然后對產(chǎn)物進行洗滌除雜，得到中間產(chǎn)物；

7、3)對步驟2)獲得的中間產(chǎn)物進行干燥、研磨成粉末，然后煅燒，得到所述純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑。

8、進一步地，步驟1)中，所述tio2前體包括二(2-羥基丙酸)二氫氧化二銨合鈦(c6h18n2o8ti)；所述模板劑包括乳酸鈉；所述添加劑包括尿素。

9、進一步地，步驟1)中，所述tio2前體和模板劑的體積比為1:0.3-1:1，優(yōu)選為1:0.5-1:0.7，更優(yōu)選為1:0.6。

10、進一步地，步驟1)中，所述混合溶液中，控制尿素的最終濃度范圍為1-6m，優(yōu)選為3-6m，更優(yōu)選為6m。

11、進一步地，步驟2)中，加熱反應(yīng)的溫度為150-200℃，反應(yīng)時間為12-36小時，優(yōu)選為180℃反應(yīng)24小時。

12、進一步地，步驟3)中，煅燒處理溫度為400-600℃，煅燒時間為2-5小時，優(yōu)選為以5℃/min的升溫速率在500℃下煅燒3h。

13、本發(fā)明還提供一種所述晶面調(diào)控的純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑在環(huán)境污染治理領(lǐng)域的應(yīng)用。

14、本發(fā)明通過加入模板劑以及添加劑，采用水熱法成功合成了暴露(120)、(111)和(110)活性晶面的純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑。(120)、(111)和(110)晶面的近似同質(zhì)性有助于其獲得最大no3-離子選擇性。同時純板鈦礦型二氧化鈦納米棒具有吸附在晶面上的高水含量，有助于提高光催化性能。此外，純板鈦礦型二氧化鈦納米棒引入了大量晶體缺陷，有助于增加光吸收量和提升光催化活性和對no3-離子的選擇性。

15、本發(fā)明的有益效果：

16、本發(fā)明制備的晶面調(diào)控的純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑具有以下優(yōu)點：

17、(1)制備工藝簡單，易于工業(yè)化生產(chǎn)；

18、(2)光催化效率高，nox去除效果好；

19、(3)具有優(yōu)異的硝酸根離子選擇性，減少了對環(huán)境的二次污染；

20、(4)催化劑穩(wěn)定性好，使用壽命長。

技術(shù)特征：

1.一種晶面調(diào)控的純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑，其特征在于，所述純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑暴露(120)、(111)和(110)活性晶面。

2.一種如權(quán)利要求1所述的晶面調(diào)控的純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑的制備方法，包括如下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟1)中，所述tio2前體包括二(2-羥基丙酸)二氫氧化二銨合鈦；所述模板劑包括乳酸鈉；所述添加劑包括尿素。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟1)中，所述tio2前體和模板劑的體積比為1:0.3-1:1。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟1)中，所述混合溶液中，控制尿素的最終濃度范圍為1-6m。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中，加熱反應(yīng)的溫度為150-200℃，反應(yīng)時間為12-36小時。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟3)中，煅燒處理溫度為400-600℃，煅燒時間為2-5小時。

8.一種如權(quán)利要求1所述的晶面調(diào)控的純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑或如權(quán)利要求2～7任一項所述制備方法制得的晶面調(diào)控的純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑在環(huán)境污染治理領(lǐng)域中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公布了一種晶面調(diào)控的純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明通過特定的制備方法，使用二(2?羥基丙酸)二氫氧化二銨合鈦為前驅(qū)體，通過加入模板劑與添加劑控制純板鈦礦型二氧化鈦納米棒催化劑暴露活性晶面(120)、(111)和(110)比例，使其獲得優(yōu)異的光催化活性和高選擇性。該催化劑不僅具有高效的NOx去除能力，還具有良好的硝酸根離子產(chǎn)物選擇性，為環(huán)境污染治理提供了新的解決方案。

技術(shù)研發(fā)人員：白紹濤,穆罕默德·卡姆蘭,李正國,張潤通,馬保德,孫炅,白翠珍,馬新宇
受保護的技術(shù)使用者：深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9