一种利用季铵碱制备C,N共掺杂纳米管/棒催化材料的方法与流程

本发明涉及纳米材料的制备领域，具体涉及一种利用季铵碱制备c，n共掺杂纳米管/棒催化材料的方法。

背景技术

季铵碱是一类通式为r4noh的化合物，式中r为四个相同或不相同的脂烃基或芳烃基。分子结构与氢氧化铵相似，可看作是后者nh⁴⁺中氢被取代而得的衍生物，具强碱性，易潮解，易溶于水并发生100％电离。

当r为甲基(ch3)时，即为四甲基氢氧化铵化合物，其结构式为(ch3)4noh。

掺杂改性tio2是拓宽半导体光催化剂光谱相应和提高量子效率的重要方法。单元素掺杂很难实现在不降低紫外光催化活性的基础上实现可见光响应，选择多种元素对tio2共掺杂改性，可以利用共掺杂离子间的协同作用提供电子-空穴对，抑制电子-空穴对的复合，提高催化活性，同时拓宽tio2的光吸收范围，提高可见光的光催化能力。

技术实现要素：

基于上述背景，本发明的目的之一是提供了一种利用季铵碱制备c，n共掺杂纳米管/棒催化材料的方法，利用季铵碱的正电性和一维钛酸纳米管的层状管壁结构和负电性，通过静电吸附作用，将含有c、n元素的正离子吸附到钛酸纳米管管壁的层间处，达到均匀掺杂的目的；

基于一维钛基纳米材料被广泛应用于降解各种有机污染物，而含c、h、n的人工合成染料分子可以在水溶液中电离出各不相同的离子基团，本发明的另一目的是在光催化过程中，利用c，n共掺杂纳米管/棒催化材料对含c、h、n的人工合成染料分子进行光催化降解，特别是偶氮类染料、吩噻嗪盐或咕吨类典型的染料等进行光催化降解。

本发明采用以下的技术方案：

一种利用季铵碱制备c，n共掺杂纳米管/棒催化材料的方法，包括以下步骤：

(1)钛酸纳米管前驱体的制备

将p25分散在高浓度碱的水溶液中，磁力搅拌器充分搅拌后置于带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，恒温加热一定时间后，经过滤、洗涤，将所得产物与无机酸水溶液混合，充分搅拌反应一定时间后，经过滤、洗涤、干燥后得到带有层状管壁结构的h2ti3o7纳米管材料；

(2)量取一定量的蒸馏水倒入烧杯中，加入一定量的r4noh水溶液，使用hno3调节其ph值，加入h2ti3o7纳米管，超声一段时间后，在室温条件下再对其进行磁力搅拌一段时间后，抽滤，干燥，氮气氛围下焙烧，制备得到c,n共掺杂纳米管/棒催化材料，其通式为x:y:z-a℃-tio2nts/nrs，其中x:y:z为ti:n:c的原子比，a为焙烧温度，nts为纳米管，nrs为纳米棒。

优选地，步骤(1)中的高浓度碱的水溶液为naoh水溶液和/或koh水溶液；高浓度碱的水溶液中的oh^-离子的浓度为5-15mol/l。

优选地，步骤(1)中的无机酸水溶液为hcl水溶液、hno3水溶液和/或ch3cooh水溶液；无机酸水溶液中的h⁺离子浓度为0.05-0.5mol/l。

优选地，步骤(1)所制备得到的h2ti3o7纳米管材料的管内径为4.6nm，外径为10.12nm。

优选地，步骤(1)所制备得到的h2ti3o7纳米管材料的层状管壁结构的层与层之间距离为0.5-0.8nm。

h2ti3o7纳米管材料的管壁为层状结构，其层状骨架为钛氧八面体结构，化学组成为[ti3o7]^2-，层间填充h+离子，表面电荷呈负电位，与季铵碱离子之间进行反应，促使其相互结合，能够达到均匀掺杂的目的。

优选地，步骤(2)中r4noh(季铵碱)中的r为脂烃基；所述脂烃基为甲基(即为四甲基氢氧化铵)。

优选地，步骤(2)中焙烧温度a为250-850℃。

通过不同的焙烧温度可以得到不同形态的催化材料，即c,n共掺杂纳米管(500℃以下)或c,n共掺杂纳米棒(500℃以上)，能够针对不同污染物提供催化降解原料，适用范围更加广泛。

优选地，步骤(2)中ti:n:c的原子比x:y:z为20:(1-15):(1-10)。

优选地，步骤(2)中ti:n:c的原子比x:y:z为20:1:4。

一种利用季铵碱制备c,n共掺杂纳米管/棒催化材料的应用，在室温下将0.1-1g/l的c,n共掺杂纳米管催化材料与5-30mg/l的含c、h、n的人工合成染料混合，使用照射可见光源对染料进行光催化降解。其中，照射可见光源可选用500w氙灯。

优选地，所述含c、h、n的人工合成染料为偶氮类染料甲基橙、吩噻嗪盐亚甲基蓝或咕吨类染料罗丹明b。注意，但不限于上述染料分子。

本发明具有的有益效果是：

通过水热法合成管内径为4.6nm，外径为10.12nm的前驱体h2ti3o7纳米管，以季铵碱为碳源和氮源，将季铵碱溶液与h2ti3o7纳米管按ti:n:c原子比进行充分反应，经高温焙烧，制备得到c，n共掺杂纳米管催化材料，其制备过程简单，反应易操作，合成成本较低，得到的产物纯度高、粒径小、分散性好；

采用p25为反应原料，其化学性能稳定，具有一定的生物惰性，在常温下基本不会与其它物质发生反应，且具有无毒性和热稳定性；

所制备的c，n共掺杂纳米管/棒催化材料能够对含c、n、h的人工合成染料等进行有效光催化降解，通过调节不同的焙烧温度，可得不同温度下的催化材料，能够为其它污染物进行催化降解提供原料，适用于染料废水与污染物的处理；

生产能耗低，适合规模化生产，具有一定的环保和安全生产价值，以及一定前景的工业化应用价值。

附图说明

图1为季铵碱分子的化学式；

图2为四甲基氢氧化铵分子的化学式；

图3为实施例1所制备得到的h2ti3o7纳米管的tem图。

图4为实施例2所制备得到的c，n共掺杂纳米棒催化材料的sem图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行具体的说明：

钛酸纳米管前驱体的制备：

具体实施方案中反应器为釜式反应器，但是本发明所述反应方法不局限于该类反应器。将p25分散在高浓度碱的水溶液中，磁力搅拌，将混合液置于聚四氟乙烯内衬中，并将其放入反应釜中，恒温加热，随后过滤，将得到的产物与无机酸水溶液混合搅拌，过滤，干燥，得钛酸纳米管。

c，n共掺杂纳米管/棒催化材料的制备：

量取一定量的蒸馏水倒入烧杯中，加入r4noh水溶液，使用hno3调节ph值，加入钛酸纳米管，超声后再在室温条件下磁力搅拌一段时间，反应完成后，抽滤，干燥，焙烧，得c，n共掺杂纳米管/棒催化材料。

c，n共掺杂纳米管/棒催化材料的应用：

合成的催化材料被用作降解含c、n、h的人工合成染料等的催化剂。在室温条件下，将催化剂与偶氮类染料甲基橙、吩噻嗪盐染料亚甲基蓝或咕吨类染料罗丹明b溶液混合，使用合适的照射光源。光反应过程中，给予一定时间间隔采集悬浮液，离心后，测定上清液中染料的浓度。

本申请具体地说是以p25为反应原料，采用水热法合成前驱体h2ti3o7纳米管，在室温条件下，将前驱体与季铵碱溶液进行充分反应，干燥，焙烧后得到所需催化材料，通过调节不同的焙烧温度，可得不同温度下的催化材料，并为其他污染物的催化降解提供原料。

实施例1：

h2ti3o7纳米管前驱体的制备：

将1gp25分散在55m110mol/l的naoh水溶液中，在磁力搅拌的作用下混合3h。将混合液置于聚四氟乙烯内衬(容积为100m1)，并将其放入釜式反应器中，在150℃下恒温24h。随后，将得到的产物进行过滤，首先使用无水乙醇洗涤，然后用去离子水洗至ph为7。然后将所得产物与0.1mol/l的盐酸溶液混合，搅拌4h，过滤，用去离子水洗至ph为6。随后，80℃干燥6小时得到h2ti3o7纳米管。

所制备得到的h2ti3o7纳米管的tem图见图3所示。结果显示，h2ti3o7纳米管材料的管内径能够达到4.6nm，外径能够达到10.12nm；h2ti3o7纳米管材料的层状管壁结构的层与层之间距离能够达到0.5-0.8nm。

20:1:4-600℃-tio2nrs催化剂的制备：

量取一定量的蒸馏水倒入250ml的烧杯中，加入一定量的四甲基氢氧化铵水溶液，加入hno3调至ph值为7，加入0.2576g的h2ti3o7纳米管，使ti:n:c原子比为20:1:4声15分钟后在室温条件下磁力搅拌6h，反应完成后，抽滤，将所得样品放在表面皿上，置于烘箱之中，在80℃下干燥6h，待烘干后，将研碎的粉末置于管式炉焙烧，n2氛围下进行600℃焙烧2h，即得c,n共掺杂纳米棒催化材料。

20:1:4-600℃-tio2nrs催化剂的应用：

在室温条件下，将0.5g/l催化剂与15mg/l甲基橙溶液混合，使用500w氙灯作为照射可见光源。光反应过程中，给与一定时间间隔采集悬浮液，离心后，测定上清液中染料的浓度，得到其降解效率大约为96％。

实施例2：

h2ti3o7纳米管前驱体的制备：

将1gp25分散在55m110mol/l的naoh水溶液中，在磁力搅拌的作用下混合3h。将混合液置于聚四氟乙烯内衬(容积为100m1)，并将其放入釜式反应器中，在150℃下恒温24h。随后，将得到的产物进行过滤，首先使用无水乙醇洗涤，然后用去离子水洗至ph为7。然后将所得产物与0.1mol/l的盐酸溶液混合，搅拌4h，过滤，用去离子水洗至ph为6。随后，80℃干燥6小时得到h2ti3o7纳米管。

20:10:4-600℃-tio2nrs催化剂的制备：

量取一定量的蒸馏水倒入250ml的烧杯中，加入一定量的四甲基氢氧化铵水溶液，加入hno3调至ph值为7，加入0.2576g的h2ti3o7纳米管，使ti:n:c原子比为20:10:4，超声15分钟后在室温条件下磁力搅拌6h，反应完成后，抽滤，将所得样品放在表面皿上，置于烘箱之中，在80℃下干燥6h，待烘干后，将研碎的粉末置于管式炉焙烧，n2氛围下进行600℃焙烧2h，即得c,n共掺杂纳米棒催化材料。

所制备得到的c,n共掺杂纳米棒催化材料的sem图见图4所示。

20:10:4-600℃-tio2nrs催化剂的应用：

在室温条件下，将0.5g/l催化剂与15mg/l甲基橙溶液混合，使用500w氙灯作为照射可见光源。光反应过程中，给与一定时间间隔采集悬浮液，离心后，测定上清液中染料的浓度，得到其降解效率大约为70％。

实施例3：

h2ti3o7纳米管前驱体的制备：

将1gp25分散在55m110mol/l的naoh水溶液中，在磁力搅拌的作用下混合3h。将混合液置于聚四氟乙烯内衬(容积为100m1)，并将其放入釜式反应器中，在150℃下恒温24h。随后，将得到的产物进行过滤，首先使用无水乙醇洗涤，然后用去离子水洗至ph为7。然后将所得产物与0.1mol/l的盐酸溶液混合，搅拌4h，过滤，用去离子水洗至ph为6。随后，80℃干燥6小时得到h2ti3o7纳米管。

20:15:4-600℃-tio2nrs催化剂的制备：

量取一定量的蒸馏水倒入250ml的烧杯中，加入一定量的四甲基氢氧化铵水溶液，加入hno3调至ph值为7，加入0.2576g的h2ti3o7纳米管，使ti:n:c的原子比为20:15:4，超声15分钟后在室温条件下磁力搅拌6h，反应完成后，抽滤，将所得样品放在表面皿上，置于烘箱之中，在80℃下干燥6h，待烘干后，将研碎的粉末置于管式炉焙烧，n2氛围下进行600℃焙烧2h，即得c,n共掺杂纳米棒催化材料。

20:15:4-600℃-tio2nrs催化剂的应用：

在室温条件下，将0.5g/l催化剂与15mg/l甲基橙溶液混合，使用500w氙灯作为照射可见光源。光反应过程中，给与一定时间间隔采集悬浮液，离心后，测定上清液中染料的浓度，得到其降解效率大约为80％。

实施例4：

h2ti3o7纳米管前驱体的制备：

将1gp25分散在55m110mol/l的naoh水溶液中，在磁力搅拌的作用下混合3h。将混合液置于聚四氟乙烯内衬(容积为100m1)，并将其放入釜式反应器中，在150℃下恒温24h。随后，将得到的产物进行过滤，首先使用无水乙醇洗涤，然后用去离子水洗至ph为7。然后将所得产物与0.1mol/l的盐酸溶液混合，搅拌4h，过滤，用去离子水洗至ph为6。随后，80℃干燥6小时得到h2ti3o7纳米管。

20:1:4-400℃-tio2nts催化剂的制备：

量取一定量的蒸馏水倒入250ml的烧杯中，加入一定量的四甲基氢氧化铵水溶液，加入hno3调至ph值为7，加入0.2576g的h2ti3o7纳米管，使ti:n:c原子比为20:1:4声15分钟后在室温条件下磁力搅拌6h，反应完成后，抽滤，将所得样品放在表面皿上，置于烘箱之中，在80℃下干燥6h，待烘干后，将研碎的粉末置于管式炉焙烧，n2氛围下进行400℃焙烧2h，即得c,n共掺杂纳米棒催化材料。

20:1:4-400℃-tio2nts催化剂的应用：

在室温条件下，将0.5g/l催化剂与15mg/l亚甲基蓝溶液混合，使用500w氙灯作为照射可见光源。光反应过程中，给与一定时间间隔采集悬浮液，离心后，测定上清液中染料的浓度，得到其降解效率大约为90％。

实施例5：

h2ti3o7纳米管前驱体的制备：

将1gp25分散在55m110mol/l的naoh水溶液中，在磁力搅拌的作用下混合3h。将混合液置于聚四氟乙烯内衬(容积为100m1)，并将其放入釜式反应器中，在150℃下恒温24h。随后，将得到的产物进行过滤，首先使用无水乙醇洗涤，然后用去离子水洗至ph为7。然后将所得产物与0.1mol/l的盐酸溶液混合，搅拌4h，过滤，用去离子水洗至ph为6。随后，80℃干燥6小时得到h2ti3o7纳米管。

20:1:10-400℃-tio2nts催化剂的制备：

量取一定量的蒸馏水倒入250ml的烧杯中，加入一定量的四甲基氢氧化铵水溶液，加入hno3调至ph值为7，加入0.2576g的h2ti3o7纳米管，使ti:n:c原子比为20:1:10，超声15分钟后在室温条件下磁力搅拌6h，反应完成后，抽滤，将所得样品放在表面皿上，置于烘箱之中，在80℃下干燥6h，待烘干后，将研碎的粉末置于管式炉焙烧，n2氛围下进行600℃焙烧2h，即得c,n共掺杂纳米棒催化材料。

20:1:10-400℃-tio2nts催化剂的应用：

在室温条件下，将0.5g/l催化剂与15mg/l亚甲基蓝溶液混合，使用500w氙灯作为照射可见光源。光反应过程中，给与一定时间间隔采集悬浮液，离心后，测定上清液中染料的浓度，得到其降解效率大约为85％。

实施例6：

h2ti3o7纳米管前驱体的制备：

将1gp25分散在55m110mol/l的naoh水溶液中，在磁力搅拌的作用下混合3h。将混合液置于聚四氟乙烯内衬(容积为100m1)，并将其放入釜式反应器中，在150℃下恒温24h。随后，将得到的产物进行过滤，首先使用无水乙醇洗涤，然后用去离子水洗至ph为7。然后将所得产物与0.1mol/l的盐酸溶液混合，搅拌4h，过滤，用去离子水洗至ph为6。随后，80℃干燥6小时得到h2ti3o7纳米管。

20:15:10-400℃-tio2nts催化剂的制备：

量取一定量的蒸馏水倒入250ml的烧杯中，加入一定量的四甲基氢氧化铵水溶液，加入hno3调至ph值为7，加入0.2576g的h2ti3o7纳米管，使ti:n:c的原子比为20:15:10，超声15分钟后在室温条件下磁力搅拌6h，反应完成后，抽滤，将所得样品放在表面皿上，置于烘箱之中，在80℃下干燥6h，待烘干后，将研碎的粉末置于管式炉焙烧，n2氛围下进行400℃焙烧2h，即得c,n共掺杂纳米棒催化材料。

20:15:10-400℃-tio2nts催化剂的应用：

在室温条件下，将0.5g/l催化剂与15mg/l亚甲基蓝溶液混合，使用500w氙灯作为照射可见光源。光反应过程中，给与一定时间间隔采集悬浮液，离心后，测定上清液中染料的浓度，得到其降解效率大约为80％。

实施例7：

h2ti3o7纳米管前驱体的制备：

将1gp25分散在55m110mol/l的naoh水溶液中，在磁力搅拌的作用下混合3h。将混合液置于聚四氟乙烯内衬(容积为100m1)，并将其放入釜式反应器中，在150℃下恒温24h。随后，将得到的产物进行过滤，首先使用无水乙醇洗涤，然后用去离子水洗至ph为7。然后将所得产物与0.1mol/l的盐酸溶液混合，搅拌4h，过滤，用去离子水洗至ph为6。随后，80℃干燥6小时得到h2ti3o7纳米管。

20:10:10-400℃-tio2nts催化剂的制备：

量取一定量的蒸馏水倒入250ml的烧杯中，加入一定量的四甲基氢氧化铵水溶液，加入hno3调至ph值为7，加入0.2576g的h2ti3o7纳米管，使ti:n:c的原子比为20:10:10，超声15分钟后在室温条件下磁力搅拌6h，反应完成后，抽滤，将所得样品放在表面皿上，置于烘箱之中，在80℃下干燥6h，待烘干后，将研碎的粉末置于管式炉焙烧，n2氛围下进行400℃焙烧2h，即得c,n共掺杂纳米棒催化材料。

20:10:10-400℃-tio2nts催化剂的应用：

在室温条件下，将0.5g/l催化剂与15mg/l罗丹明b溶液混合，使用500w氙灯作为照射可见光源。光反应过程中，给与一定时间间隔采集悬浮液，离心后，测定上清液中染料的浓度，得到其降解效率大约为75％。

实施例8：

h2ti3o7纳米管前驱体的制备：

将1gp25分散在55m110mol/l的naoh水溶液中，在磁力搅拌的作用下混合3h。将混合液置于聚四氟乙烯内衬(容积为100m1)，并将其放入釜式反应器中，在150℃下恒温24h。随后，将得到的产物进行过滤，首先使用无水乙醇洗涤，然后用去离子水洗至ph为7。然后将所得产物与0.1mol/l的盐酸溶液混合，搅拌4h，过滤，用去离子水洗至ph为6。随后，80℃干燥6小时得到h2ti3o7纳米管。

20:15:10-400℃-tio2nts催化剂的制备：

量取一定量的蒸馏水倒入250ml的烧杯中，加入一定量的四甲基氢氧化铵水溶液，加入hno3调至ph值为7，加入0.2576g的h2ti3o7纳米管，使ti:n:c的原子比为20:15:10，超声15分钟后在室温条件下磁力搅拌6h，反应完成后，抽滤，将所得样品放在表面皿上，置于烘箱之中，在80℃下干燥6h，待烘干后，将研碎的粉末置于管式炉焙烧，n2氛围下进行400℃焙烧2h，即得c,n共掺杂纳米棒催化材料。

20:15:10-400℃-tio2nts催化剂的应用：

在室温条件下，将0.5g/l催化剂与20mg/l罗丹明b溶液混合，使用500w氙灯作为照射可见光源。光反应过程中，给与一定时间间隔采集悬浮液，离心后，测定上清液中染料的浓度，得到其降解效率大约为70％。

实施例9：

h2ti3o7纳米管前驱体的制备：

将1gp25分散在55m15mol/l的naoh水溶液中，在磁力搅拌的作用下混合3h。将混合液置于聚四氟乙烯内衬(容积为100m1)，并将其放入釜式反应器中，在150℃下恒温24h。随后，将得到的产物进行过滤，首先使用无水乙醇洗涤，然后用去离子水洗至ph为7。然后将所得产物与0.05mol/l的hno3溶液混合，搅拌4h，过滤，用去离子水洗至ph为6。随后，80℃干燥6小时得到h2ti3o7纳米管。

20:1:4-250℃-tio2nts催化剂的制备：

量取一定量的蒸馏水倒入250ml的烧杯中，加入一定量的四甲基氢氧化铵水溶液，加入hno3调至ph值为7，加入0.2576g的h2ti3o7纳米管，使ti:n:c的原子比为20:1:4，超声15分钟后在室温条件下磁力搅拌6h，反应完成后，抽滤，将所得样品放在表面皿上，置于烘箱之中，在80℃下干燥6h，待烘干后，将研碎的粉末置于管式炉焙烧，n2氛围下进行250℃焙烧2h，即得c,n共掺杂纳米棒催化材料。

20:1:4-250℃-tio2nts催化剂的应用：

在室温条件下，将0.5g/l催化剂与5mg/l染料甲基橙溶液混合，使用500w氙灯作为照射可见光源。光反应过程中，给与一定时间间隔采集悬浮液，离心后，测定上清液中染料的浓度，结果显示具有良好的降解效率。

实施例10：

h2ti3o7纳米管前驱体的制备：

将1gp25分散在55m115mol/l的koh水溶液中，在磁力搅拌的作用下混合3h。将混合液置于聚四氟乙烯内衬(容积为100m1)，并将其放入釜式反应器中，在150℃下恒温24h。随后，将得到的产物进行过滤，首先使用无水乙醇洗涤，然后用去离子水洗至ph为7。然后将所得产物与0.5mol/l的ch3cooh溶液混合，搅拌4h，过滤，用去离子水洗至ph为6。随后，80℃干燥6小时得到h2ti3o7纳米管。

20:1:4-850℃-tio2nts催化剂的制备：

量取一定量的蒸馏水倒入250ml的烧杯中，加入一定量的四甲基氢氧化铵水溶液，加入hno3调至ph值为7，加入0.2576g的h2ti3o7纳米管，使ti:n:c的原子比为20:1:4，超声15分钟后在室温条件下磁力搅拌6h，反应完成后，抽滤，将所得样品放在表面皿上，置于烘箱之中，在80℃下干燥6h，待烘干后，将研碎的粉末置于管式炉焙烧，n2氛围下进行850℃焙烧2h，即得c,n共掺杂纳米棒催化材料。

20:1:4-850℃-tio2nts催化剂的应用：

在室温条件下，将0.5g/l催化剂与30mg/l亚甲基蓝液混合，使用500w氙灯作为照射可见光源。光反应过程中，给与一定时间间隔采集悬浮液，离心后，测定上清液中染料的浓度，结果显示具有良好的降解效率。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。