三维有序可控大孔炭材料复合纳米二氧化钛的制备及其对废水的催化氧化降解机理研究

三维有序大孔炭复合纳米TiO2 材料是一种新型催化氧化降解材料。其可以充分利用纳米TiO2的光催化氧化性能、提高其分散和回收能力。三维有序大孔炭材料具有均一有序的大孔孔道，孔壁结构中又具有丰富的中孔微孔，除自身具备较大的吸附能力外，大孔范围的球型孔腔也为催化剂的填充提供了可利用的空间，避免了由于使用粘结剂制备该复合材料时，带来材料使用效率和催化剂脱落这一国内外目前难以解决的问题。项目研究采用模板法，通过一定的配方和特殊的处理工艺，可以获得具有一定可控比例的中空和微孔的有序大孔炭材料；使用溶胶－凝胶法制备获得的纳米TiO2通过适当的方法，可有效地将其复合在大孔炭材料的球形孔腔内。该材料在用于废水处理时，通过吸附和同步催化氧化作用，可在深度处理有机废水的效率和寿命方面达到前所未有的效果。同时，通过对该复合材料的催化氧化降解机理研究，对指导不同有机废水深度处理具有重要理论意义和参考价值。

三维有序可控大孔炭材料复合纳米二氧化钛的制备及其对废水的催化氧化降解机理研究”项目主要研究任务是：进行三维有序可控模板的制备，三维有序可控大孔介孔炭的制备及工艺优化；三维有序可控大孔介孔炭负载纳米TiO2材料的制备及工艺优化研究；三维有序可控大孔炭负载纳米TiO2处理有机废水的协同作用机理研究。项目研究的预期成果是：（一）获得三维有序可控大孔炭负载纳米TiO2材料及其制备机理。（二） 三维有序可控大孔炭负载纳米TiO2材料对有机废水深度处理的催化氧化降解机理。（三）培养2名博士生，2名硕士生；在国内核心学术刊物或国外学术会议上发表10-15篇论文；参加一次国际会议，申请国家发明专利2项。.围绕项目研究，目前共发表论文18篇，其中会议论文6篇（国际会议2篇）；授权国家发明专利4项，获山东省自然科学一等奖1项，中石化技术发明一等奖1项；研究生有3人获博士学位，2人获硕士学位。.主要研究结论为：.1. 在传统制备方法的基础上，利用在二氧化硅微球表面引入酸性位来对二氧化硅微球做改性，并利用改性的二氧化硅微球在正硅酸四乙酯体系中的聚合而自组装成网状结构的特性，负载炭源制备成三维有序大孔-介孔炭材料。.2. 该复合光催化剂在高温处理过程中，炭质载体和光催化剂TiO2的接界面处发生了化学键的键合，Ti、O键的化学环境发生了变化，同时产生了新的化学键“Ti-O-C”，使得复合光催化剂的吸收光谱向可见光区域迁移，且炭质的引入抑制了TiO2晶型的转变与晶粒的长大。.3. 对有机染料废水甲基橙的降解表明，无论是在紫外光下还是在可见光下，复合光催化剂降解效率显著高于纯的P25-TiO2；HPLC-MS图中有光催化降解中间产物，表明在可见光下发生了光催化降解。通过动力学分析可知光催化降解过程符合准一级动力学方程。.4. 复合光催化剂催化降解甲基橙的协同作用机理是：⑴.炭质载体与TiO2的相互作用促进了电子-空穴对的高效分离；⑵.溶液中材料的大孔和介孔可以高效吸附不同分子大小的污染物，同时大孔提供的溶液通道，可大大提高材料对污染物分子的吸附效率，电子-空穴对的高效分离提高了光利用效率，二者共同作用显著提高了光催化效率；⑶.炭质材料吸附的污染物在浓度差的作用下部分发生脱附而被TiO2光催化降解，使得炭质吸附材料载体得以再生；同时炭质载体可将初次光降解的中间产物吸附后被二次彻降解。