【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光催化，具体涉及一种具有自修复性能及提高中间水含量的光催化水凝胶、制备方法及其在光催化降解水中有机污染物、光催化产氢和细菌灭活中的应用。
技术介绍
1、随着现代工业的迅速发展，化石能源大量燃烧带来的环境污染问题成为研究人员关注的重点。光催化氧化技术被认为是解决环境污染问题的最有应用前景的技术之一。光催化氧化技术主要是通过光与催化剂作用产生具有氧化能力的自由基与有机污染物发生氧化反应来降解污染物或者进行细菌灭活。迄今为止，研究人员发现超过3000种难降解的有机污染物可以通过光催化反应进行氧化降解，因此，开发具有高效催化反应活性的催化剂成为研究的热点问题。
2、二氧化钛作为一种无毒、无害、性能稳定的催化剂在光催化领域展现出独特的优势。目前，二氧化钛在自然界中存在三种同素异形态，分别是金红石相、锐钛矿相和板钛矿相，以金红石相和锐钛矿相混合的二氧化钛p25具有大的比表面积和光催化活性，在紫外光的照射下可以生成化学活泼性很强的超氧化物阴离子自由基和氢氧自由基，攻击有机物，达到降解有机污染物和杀菌的作用。目前，仅以p25作为光催化剂虽然已经被证明具有较好的光催化效果，但是在实际应用中仍然存在以下几个问题：一是p25仅在紫外光区有响应，但是紫外光仅占太阳光的一小部分，因此能源利用效率低；二是光生电子-空穴对重组率较高，光量子效率较低；三是纳米粉末分散性差，溶液发生团聚且不易于固液分离。因此，开发具有广谱响应范围的催化材料以及探究提升催化效率是研究的重点。
3、近年来，为了进一步提升二氧化钛基光催化剂的作用
4、水凝胶由高分子聚合物通过物理或者化学交联构成，是一种具有三维网络结构的功能型高分子材料。一般来说，水凝胶具有以下两个共性：一是结构中含有大量亲水基团，故水凝胶含水量高，且能被水溶胀；二是具备良好的调控性，可通过环境因素和改性手段改变交联网络的物理化学性质。研究发现，在水凝胶的内部存在不同状态的水分子，即结合水、自由水、中间水，三种水分子的状态不同，因此分子间氢键作用力也存在明显差异。水凝胶材料具有制备简单、形貌可控、种类繁多、易于降解、含水量高和柔韧性好等优点，已经被广泛应用于生物医疗、医学美容、表面修饰等领域。北京化工大学邱介山教授(advancedmaterials，2023,35,2207262)等人以聚乙烯醇水凝胶为水化基质，通过物理交联的方法制备了高水合性水凝胶蒸发器，通过盐离子调节中间水的含量，降低水蒸发焓，有效提升了水凝胶材料的水蒸发速率。华中科技大学牛冉研究员(chemical engineering journal，2023,458,141511)基于霍夫迈斯特效应的冷冻浸泡法，大规模制备了一种聚乙烯醇水凝胶蒸发器，通过不同盐溶液冻融的方式有效提升了中间水的含量，进而提升了蒸发器的水分蒸发效率。关于霍夫迈斯特效应调节中间水进而提升蒸发效率的研究已经被广泛报道。但是，目前还没有关于水凝胶基光催化剂的探究及中间水对催化效率影响的相关报道。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种具有自修复性能的光催化水凝胶、制备方法及其通过提高中间水的含量提高光催化降解水中有机污染物、光催化产氢和细菌灭活效率的应用。本专利技术通过氢化还原的方法制备了一种同时具有光热和光催化效应的半导体纳米粒子，将其引入水凝胶材料中，通过不同盐溶液冻融的方式提升水凝胶内部中间水的含量，进而通过中间水的优化提升光催化反应的效率，使制备的水凝胶具有高的降解有机污染物、灭活细菌和光催化产氢效率。本专利技术得到的具有自修复性能的水凝胶具有良好的可扩展性、稳定性及制备方便性，适合于有机污染物的降解、细菌灭活和光催化产氢中的应用。
2、本专利技术所述的一种具有自修复性能的光催化水凝胶的制备方法，其步骤如下：
3、1)通过硼氢化钠还原的方法制备同时具有光热和光催化效应的黑二氧化钛(black tio2)纳米粒子，具体方法如下：将直接购买的商业化二氧化钛p25与硼氢化钠均匀混合并研磨30～45min，然后转移至管式炉内，在惰性气体条件下高温还原处理；
4、2)将步骤1)高温还原处理后的纳米粒子先用无水乙醇搅拌去除未反应的硼氢化钠，然后用去离子水清洗掉无水乙醇后于50～70℃下干燥，得到所需的黑二氧化钛纳米粒子；
5、3)在85～95℃下将聚乙烯醇(pva)和明胶(gel)溶解于水后均匀混合，得到混合液1；通过超声分散的方式将步骤2)得到的黑二氧化钛纳米粒子分散在水中得到混合液2；将混合液2加入到混合液1中得到混合液3，混合液3中黑二氧化钛纳米粒子的浓度为0.5～2.0mg/ml；
6、4)将混合液3转移至一次培养皿中，在-85～-75℃下冷冻12～18h，再在8～15wt％盐的水溶液中解冻2～4h；该“冷却-解冻”过程重复3～5次得到所述的具有自修复性能的光催化水凝胶。
7、步骤1)所述的二氧化钛p25与硼氢化钠的质量比为4：1～2.5，还原所用的惰性气体为氮气或氩气中的一种，还原温度为300～500℃，还原时间为1～3h；
8、步骤2)所述的加入无水乙醇搅拌的时间为12～48h，纳米粒子干燥时间为24～48h；
9、步骤3)所述的混合液1中聚乙烯醇(pva)的质量分数为8％～12％，明胶与聚乙烯醇的质量比为1：5～10；
10、步骤4)所述的盐溶液为氯化钠(nacl)、氯化钾(kcl)、氯化钙(cacl2)和氯化镁(mgcl2)等中的一种。
11、本专利技术利用氢化还原的方法制备了一种具有光热和光催化效应的纳米粒子，再将其引入水凝胶体系中，制备了一种具有自修复性能的且中间水含量高的光催化水凝胶，为催化剂的制备及效率提升提供有效路径。本专利技术具有方法简便、可重复性好的特点，可以大量制备。本专利技术制备的光催化水凝胶具有良好的自修复性能、光催化降解有机污染物性能、光催化产氢以及细菌灭活性能。在模拟太阳光的照射下，本专利技术所制备的光催化水凝胶降解有机污染物的效率接近70％，在30min内对于大肠杆菌的灭活效率接近100％，另外在没有外加牺牲剂的条件下，4h的氢气产生效率最高可达1578μmol/g。目前，关于光催化水凝胶的报道中，还没有通过提升水凝胶中中间水的含量提高光催化效率的报道。我们通过不同盐溶液冻融的方式提高水凝胶内部中间水的含量，提高光催化反应效率。所制备的水凝胶具有成本低廉、制作方便、稳定性好的特点，在污水净化和能源转换领域具有广阔的应用前景。
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1.一种具有自修复性能的光催化水凝胶的制备方法，其步骤如下：
2.如权利要求1所述的一种具有自修复性能的光催化水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的二氧化钛P25与硼氢化钠的质量比为4：1～2.5，还原所用的惰性气体为氮气或氩气中的一种，还原温度为300～500℃，还原时间为1～3h。
3.如权利要求1所述的一种具有自修复性能的光催化水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤2)所述的加入无水乙醇搅拌的时间为12～48h，纳米粒子干燥时间为24～48h。
4.如权利要求1所述的一种具有自修复性能的光催化水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤3)所述的混合液1中聚乙烯醇的质量分数为8％～12％，明胶与聚乙烯醇的质量比为1：5～10。
5.如权利要求1所述的一种具有自修复性能的光催化水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤4)所述的盐溶液为氯化钠、氯化钾、氯化钙或氯化镁中的一种。
6.一种具有自修复性能的光催化水凝胶，其特征在于：是由权利要求1～5任意一项所述的制备方法制备得到。
7.权利要求6所述的一种具有自修复性能的光催
...【技术特征摘要】
1.一种具有自修复性能的光催化水凝胶的制备方法，其步骤如下：
2.如权利要求1所述的一种具有自修复性能的光催化水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的二氧化钛p25与硼氢化钠的质量比为4：1～2.5，还原所用的惰性气体为氮气或氩气中的一种，还原温度为300～500℃，还原时间为1～3h。
3.如权利要求1所述的一种具有自修复性能的光催化水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤2)所述的加入无水乙醇搅拌的时间为12～48h，纳米粒子干燥时间为24～48h。
4.如权利要求1所述的一种具有自修复...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙航，秦蓁，汤亚男，邹旸，师鑫鉴，尹升燕，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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