一种吸附光催化水凝胶材料及其在逆转重金属毒害的协同光催化污水产氢中的应用制造技术

本发明专利技术涉及一种吸附光催化水凝胶材料及其在逆转重金属毒害的协同光催化污水产氢中的应用，吸附光催化水凝胶材料包含光催化纳米材料和负载所述光催化纳米材料的多孔的透明基体，所述多孔的透明基体由易交联成透明水凝胶的多糖高分子材料制成。多糖水凝胶含有丰富的‑OH、‑NH3等官能团，可以吸附重金属离子，降低污水中的重金属离子浓度。

An adsorption photocatalytic hydrogel material and its application in photocatalytic hydrogen production from wastewater by reversing heavy metal toxicity

The invention relates to a photocatalytic adsorption hydrogel and its application in the reversal of heavy metal toxicity synergistic photocatalytic hydrogen production in wastewater, transparent substrate adsorption and photocatalytic hydrogel material comprising photocatalytic nano materials and porous load the photocatalytic nano materials, the transparent matrix porous crosslinked polysaccharide made from easy transparent polymer hydrogel. Polysaccharide gel rich in OH, NH3 groups, can reduce the adsorption of heavy metal ions, concentration of heavy metal ions in wastewater.

【技术实现步骤摘要】
一种吸附光催化水凝胶材料及其在逆转重金属毒害的协同光催化污水产氢中的应用
本专利技术涉及一种新型的回收利用重金属污染物以解决其对光催化剂毒害的策略。利用制备的吸附光催化水凝胶材料以及随后的原位硫化处理技术，实现了重金属污染物的回收再利用，并将吸附的重金属离子转化为相应的光催化敏化材料。该策略逆转了重金属离子对光催化过程的不利影响，而且提高了在重金属污水中的光催化产氢效率，并且实现了污水净化，属于能源环境催化材料以及纳米材料

技术介绍
由于工业的快速发展而大量排放的含有各类金属离子的废水对环境具有严重的潜在危害，同时大量消耗的石油资源迫使人类寻找新的可再生能源。光催化污水产氢技术，利用光催化剂和太阳能分解污水产生氢能，可以同时实现持续能源的产生和水体修复，成为当前最有希望解决水和能源危机的一种策略。然而，由于普通工业废水中存在各种各样的重金属离子污染物，其可以猝灭光生电子，严重影响光催化剂的产氢性能。因此，设计出可以有效防止金属离子对光催化剂毒害的策略，对光催化分解污水产氢技术推广到实际应用中具有重要的意义。
技术实现思路
针对现有技术的以上问题，本专利技术的目的在于提供一种解决重金属离子对光催化剂毒害的方案，甚至“变废为宝”，能够实现重金属污染物的回收再利用并且提高光催化产氢的性能。在此，本专利技术提供一种吸附光催化水凝胶材料，包含光催化纳米材料和负载所述光催化纳米材料的多孔的透明基体，所述多孔的透明基体由易交联成透明水凝胶的多糖高分子材料制成。本专利技术采用多糖高分子材料可制成透明基体(多糖水凝胶)，其具有良好的透光性、吸水性，内部是多级孔道贯穿的结构，可以使光和物质在内部自由扩散，使得负载的光催化剂可以在光照条件下不受影响地分解水产生氢气，成为良好的光催化剂的负载载体。同时，多糖水凝胶含有丰富的-OH、-NH3等官能团，可以吸附重金属离子，降低污水中的重金属离子浓度。较佳地，所述多糖高分子材料为琼脂糖、壳聚糖中的至少一种。本专利技术中，所述光催化纳米材料为在光照条件下能够发生化学反应(例如分解水产生氢气等)的半导体材料，优选二氧化钛、氮化碳、钒酸铋等稳定的光催化材料中的至少一种。较佳地，所述光催化纳米材料与所述多孔的透明基体的质量比为(0.05～0.2)：1。本专利技术还提供一种制备上述吸附光催化水凝胶材料的方法，包括：将光催化纳米材料分散于水中得到的溶液与多糖高分子材料混合，加热溶解，保温2～10分钟，得到混合溶液；以及将所述混合溶液冷却到室温，凝固后得到所述吸附光催化水凝胶材料。上述制备方法中，可使所述光催化纳米材料分散于水中得到的溶液的质量浓度为0.001～0.01g/ml。本专利技术还提供一种上述吸附光催化水凝胶材料在重金属回收再利用/光催化产氢中的应用，包括：将上述吸附光催化水凝胶材料浸入含有重金属离子的溶液中，吸附重金属离子后取出；以及将吸附有重金属离子的吸附光催化水凝胶材料与硫源水溶液混合进行原位硫化处理，于室温下浸渍10～30分钟后取出，用水冲洗。本专利技术的重金属回收再利用/光催化产氢方法中，首先利用吸附光催化水凝胶材料吸附溶液中的重金属离子，随后，通过原位的硫化处理，将吸附的重金属离子转换为相应的金属硫化物。以往，由于普通工业废水中存在各种各样的重金属离子污染物，其可以猝灭光生电子，严重影响光催化剂的产氢性能。而本专利技术的重金属回收再利用/光催化产氢方法中，利用制备的吸附光催化水凝胶材料以及随后的原位硫化处理技术，将吸附的重金属离子转换为相应的金属硫化物，由于金属硫化物的窄能隙，使其成为良好的可见光催化敏化材料，可以有效逆转重金属离子对光催化的毒害作用，并且能够提高光催化剂对可见光区域的吸收利用和光催化产氢的效率，实现“变废为宝”。根据本专利技术的重金属回收再利用/光催化产氢方法，能够实现重金属污染物的回收再利用，并将吸附的重金属离子转化为相应的光催化敏化材料。由此，可以逆转重金属离子对光催化过程的不利影响，而且提高在重金属污水中的光催化产氢效率，并且实现污水净化。此外，构筑的块体光催化剂复合水凝胶体系具有一定强度，可以很方便得回收利用，并具有长期的稳定性，可循环使用。本专利技术中，所述硫源为含硫的离子化合物，优选硫化钠、硫化钾中的至少一种。较佳地，吸附重金属离子在光照下进行，时间为0.5～2小时。较佳地，所述原位硫化处理过程中硫离子和吸附的重金属离子的摩尔比为(5～1)：1。附图说明图1为实施例1所得的琼脂凝胶基体(记为Agar)的扫面电镜图；图2为实施例1所得的负载光催化剂TiO2琼脂凝胶(记为TiO2@Agar)的元素面分布图；图3(a)实施例1所得的Agar和TiO2@Agar的紫外可见吸收光谱图；图3(b)为Agar和TiO2@Agar的实物图；图4为实施例1所得的Agar和TiO2@Agar抗压强度应变曲线，其中的插图为样品力学性能测试图；图5为实施例1所得的Agar和TiO2@Agar在光照和暗处对溶液中重金属镉离子的吸附动力学曲线；图6为实施例1所得的TiO2@Agar和TiO2在去离子水的产氢速率，以及TiO2@Agar和TiO2在含有Cd2+离子水溶液中(分别记为TiO2@Agar-Cd和TiO2-Cd)的产氢速率；图7为实施例1所得的吸附Cd金属离子之后TiO2@Agar(记为TiO2@Agar-Cd)经过原位硫化处理(记为TiO2@Agar+CdS)的高分辨透射电子显微镜图和对应区域的快速傅里叶变换图；图8为实施例1所得的TiO2@Agar和TiO2@Agar+CdS的X射线衍射图；图9(a)为实施例1所得的TiO2@Agar和TiO2@Agar+CdS的紫外可见吸收光谱图；图9(b)为TiO2@Agar和TiO2@Agar+CdS的实物图；图10为实施例1所得的TiO2@Agar，TiO2@Agar-Cd，TiO2@Agar+CdS在照射波长λ>400nm时的可见光光催化产氢速率；图11为实施例1所得的TiO2@Agar，TiO2@Agar-Cd，TiO2@Agar+CdS在全光谱照射下的光催化产氢速率，其中的插图为不同样品在去离子水中的光催化产氢实验结束后溶液的镉离子浓度；图12为实施例1所得的TiO2@Agar在含有Cd2+的金属离子水溶液中(TiO2@Agar-Cd)，在5h光催化产氢结束后，硫化处理，再返回到原溶液中的光催化产氢速率(记为TiO2@Agar+CdS-Cd)；图13为实施例1所得的Agar，TiO2@Agar，TiO2@Agar-Cd和TiO2@Agar+CdS的傅里叶变换红外光谱图；图14为实施例1所得的TiO2@Agar+CdS在含有Cd离子溶液中的10次循环测试，两条曲线其分别代表每次循环的溶液中Cd2+离子的去除效率(右侧)，以及TiO2@Agar+CdS的光催化产氢速率(左侧)；图15为实施例1所得的TiO2@Agar在暗处(dark)和在光照条件下(IL)对四种重金属离子的去除效率；图16为实施例1所得的TiO2@Agar，和吸附各类金属离子的TiO2@Agar在硫化处理之后(记为TiO2@Agar+MxS)的X射线衍射图(M表示Cd，Cr，Cu，Pb四种金属)；图17为实施例1所得的TiO2@Agar和TiO2@Agar+MxS在无本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种吸附光催化水凝胶材料，其特征在于，包含光催化纳米材料和负载所述光催化纳米材料的多孔的透明基体，所述多孔的透明基体由易交联成透明水凝胶的多糖高分子材料制成。

【技术特征摘要】
1.一种吸附光催化水凝胶材料，其特征在于，包含光催化纳米材料和负载所述光催化纳米材料的多孔的透明基体，所述多孔的透明基体由易交联成透明水凝胶的多糖高分子材料制成。2.根据权利要求1所述的吸附光催化水凝胶材料，其特征在于，所述多糖高分子材料为琼脂糖、壳聚糖中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的吸附光催化水凝胶材料，其特征在于，所述光催化纳米材料为在光照条件下能够发生化学反应的半导体材料，优选二氧化钛、氮化碳、钒酸铋中的至少一种。4.根据权利要求1至3中任一项所述的吸附光催化水凝胶材料，其特征在于，所述光催化纳米材料与所述多孔的透明基体的质量比为（0.05～0.2）：1。5.一种制备权利要求1至4中任一项所述的吸附光催化水凝胶材料的方法，其特征在于，包括：将光催化纳米材料分散于水中得到的溶液与多糖高分子材料混合，加热溶解，保温2～10分钟，得到混合溶液；以及将所述混合溶液冷却到室温...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐颖峰，魏晨阳，张辰，施剑林，张玲霞，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31