阅读说明：本技术 一种卵状碳包裹单晶二氧化钛微球的制备方法及其应用 (Preparation method and application of ovoid carbon-coated single-crystal titanium dioxide microspheres ) 是由 杨化桂 宋宁宁 杨晓华 刘鹏飞 侯宇 袁海洋 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种卵状碳包裹单晶二氧化钛微球的制备方法及其应用。本发明采用一步水热法合成无定型碳包裹二氧化钛单晶微球。微球尺寸为1～1.5微米,其中外壳碳层为无定型结构、内核二氧化钛为锐钛矿单晶结构。该方法操作简便,工艺设备简单,原料易得,制备成本较低,反应周期短,可重复性高。这种材料应用在光催化降解有机污染物方面有着突出的性能。这种新型卵状碳包裹二氧化钛单晶在环境科学以及太阳能转换领域有着非常重要的用途。(The invention discloses a preparation method and application of an ovoid carbon-coated single-crystal titanium dioxide microsphere. The invention adopts a one-step hydrothermal method to synthesize amorphous carbon-coated titanium dioxide single crystal microspheres. The size of the microsphere is 1-1.5 microns, wherein the shell carbon layer is of an amorphous structure, and the core titanium dioxide is of an anatase single crystal structure. The method has the advantages of simple operation, simple process equipment, easily obtained raw materials, lower preparation cost, short reaction period and high repeatability. The material has outstanding performance in the aspect of photocatalytic degradation of organic pollutants. The novel ovoid carbon-coated titanium dioxide single crystal has very important application in the fields of environmental science and solar energy conversion.)

一种卵状碳包裹单晶二氧化钛微球的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于一种具有核壳结构碳包裹二氧化钛单晶纳米材料，该材料采用一步水热法制备而成，在光催化降解有机物方面具备优异性能，在其他能源开发和环境保护领域也具备潜在应用性能。

背景技术

TiO₂半导体因其长期的热力学稳定性，强氧化能力和相对无毒性而被认为是最好的光催化材料之一。另外，纯相的金红石型和锐钛矿TiO₂多晶材料，其带隙大于3eV，导致光吸收范围局限于太阳光谱的紫外光区域，这使得在TiO₂对于太阳光利用率很低，限制了该类材料的应用场景。近几十年来，人们已经做了许多研究来改善TiO₂的光吸收性能，以试图利用更宽光谱范围的太阳光。碳材料与TiO₂复合是一种提高可见光吸收的有效方法，碳材料具有优异的导电性，良好的化学稳定性，且具有良好的光响应。碳材料与其它材料的结合可以改善复合体系的导电性和稳定性，并且具有独特的结构和低毒性，优异的光，热，电化学和机械性能。其中，TiO₂/碳基材料的复合体系可以整合优势，使复合材料具有更高的稳定性，增强的导电性及优化的催化。基于碳材料改性的TiO₂已在文献中广泛描述(例如，石墨烯-TiO₂纳米管，碳量子点/TiO₂复合材料)，然而，碳层包裹TiO₂单晶结构却很少有报道。本发明中我们设计了一种碳包裹二氧化钛单晶纳米材料，该材料具有高效稳定且可见光响应的光催化剂，在模拟太阳光下，对有机污染物降解呈现良好的降解能力。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种具有卵状结构的碳包裹二氧化钛单晶纳米材料及其制备方法和应用，制备方法简单，成本低。所制备的纳米材料具有优异的光催化降解性能。合成过程中不需要复杂的仪器、操作简单，有利于大规模的生产。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种核壳结构碳包裹二氧化钛单晶纳米材料，所述纳米材料尺寸为1.0～1.5微米，其中外壳碳层为无定型结构，内核二氧化钛为锐钛矿相单晶结构。

一种核壳结构碳包裹二氧化钛单晶纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)在反应釜的聚四氟乙烯内衬中加入去离子水(20～60mL)和抗坏血酸(0.12-0.56g)，再将配好的四氟化钛溶液(浓度为30～53mM)加入反应釜中。然后，再加入HF(0.4～1.2mL)溶液，搅拌均匀后将混合液置于高温高压反应釜中，150～220℃反应3.5～48个小时后取出；

(2)待反应釜冷却到室温，吸取上层清液弃掉，将下层沉淀收集后进行离心洗涤。用去离子水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤1次。洗涤完成后，将装有沉淀物的离心管放入烘箱中在60～80℃下真空干燥12小时，得到碳包裹单晶二氧化钛材料，为黑色粉末，其中二氧化钛为锐钛矿相。

上述碳包裹二氧化钛单晶材料的应用，用于光催化降解有机物。

上述应用方法如下：在模拟太阳光下，碳包裹单晶二氧化钛单晶微球对亚甲基蓝(MB，10～30mg/L)的光催化降解性能。10～30毫克催化剂加入到50～100毫升染料中，光照情况下，对反应溶液进行每隔五分钟取一次样，并用UV-vis光谱仪器测量亚甲基蓝的最高吸光度的变化，测试结果表明，在模拟太阳光下光照30分钟，溶液中亚甲基蓝的浓度降低了55％。

本发明的有益效果在于：

(1)采用简单的一步水热法合成卵状碳包裹二氧化钛单晶微球材料，合成方法简单，操作简便，条件温和，目标产物纯度高，安全无毒，可以大批量合成；

(2)将纳米尺寸碳包裹二氧化钛单晶微球材料用于光催化降解有机物，结果表明其具有较好的光催化降解性能和较好的稳定性。在模拟太阳光下光照射30分钟，溶液中亚甲基蓝的浓度降低了55％。

(3)制备过程中，所有试剂均为商业产品，不需要进一步处理；

(4)合成方法简单，得到的材料易于应用，有利于在工业化生产中推广应用，用于污水净化、光降解污染物等。

附图说明

图1是实施例1所制备的卵状碳包裹二氧化钛单晶微球材料的电子照片；

图2是实施例1所制备的卵状碳包裹二氧化钛单晶微球材料用于光催化降解亚甲基蓝的性能图；

图3是实施例1所制备的卵状碳包裹二氧化钛单晶微球材料的X射线衍射图谱；

图4是实施例1所制备的卵状碳包裹二氧化钛单晶微球材料的透射电镜图；

图5是实施例1所制备的卵状碳包裹二氧化钛单晶微球材料的扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1

步骤一、卵状透明碳包裹二氧化钛单晶微球材料的制备

(1)在反应釜的聚四氟乙烯内衬中加入去离子水(20mL)和抗坏血酸(0.28g)，再将配好的四氟化钛溶液(浓度为53mM,10mL)加入反应釜中。然后，再加入HF(0.4mL)溶液，搅拌均匀后将混合液至于高温高压反应釜中，放入180℃烘箱，反应3.5小时；

(2)待反应釜冷却到室温，吸取上层清液弃掉。将下层沉淀用去离子水洗涤6次，再用无水乙醇洗涤1次。洗涤完成后将沉淀物放入60℃烘箱真空干燥12小时，得到碳包裹二氧化钛单晶材料，为黑色粉末，其中二氧化钛为锐钛矿相。

步骤二、性能表征测试

在模拟太阳光下，碳包裹二氧化钛单晶微球对亚甲基蓝(20mg/L)的降解光催化活性。10～30毫克催化剂加入到50～100毫升染料中，在光照之前，避光搅拌30min使达到吸附平衡，并吸取5-10毫升液体离心分离，取上层清液用于紫外光光度计测试。光照情况下，对反应溶液进行每隔五分钟取一次样，通过UV-vis吸收光谱法来测量亚甲基蓝在665nm波长下的最高吸光度的变化，测试表明，在模拟太阳光下光照30，亚甲基蓝的浓度降低了55％。

图2是实施例1所制备的卵状碳包裹二氧化钛单晶微球光催化降解的性能图。其中：曲线1、2、3分别是以实施例1、2、3所制备的卵状碳包裹二氧化钛单晶微球光降解性能图，模拟太阳光照射下，降解50mL的浓度为20毫克/升亚甲基蓝溶液的测试条件下相应的光降解性能曲线。由图可知，在模拟太阳光下光照30min，溶液中亚甲基蓝的浓度降低了55％。

图3为实施例1所制备的卵状碳包裹二氧化钛单晶微球X射线衍射图谱。X射线衍射仪的扫描速度为3°/min，扫描范围为10°－80°。

图4为实施例1透射电镜图，通过观察样品为明显的卵状碳包裹二氧化钛单晶微球结构。

图5为实施例1扫描电镜图，通过观察样品形貌，其为1～1.5微米卵状碳包裹二氧化钛单晶微球结构。

实施例2

步骤一、卵状碳包裹二氧化钛单晶微球的制备

在反应釜的聚四氟乙烯内衬中加入去离子水(20mL)和抗坏血酸(0.42g)，再将配好的四氟化钛溶液(浓度为53mM,10mL)加入反应釜中。然后，再加入HF(0.4mL)溶液，搅拌均匀后将混合液至于高温高压反应釜中，放入180℃烘箱，反应3.5小时，特征和性能与实施例1类似。

实施例3

步骤一、卵状碳包裹二氧化钛微球的制备

在反应釜的聚四氟乙烯内衬中加入去离子水(20mL)和抗坏血酸(0.56g)，再将配好的四氟化钛溶液(浓度为53mM,10mL)加入反应釜中。然后，再加入HF(0.4mL)溶液，搅拌均匀后将混合液至于高温高压反应釜中，放入180℃烘箱，反应3.5小时，特征和性能与实施例1类似。

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。