一种碳化硅压电催化膜及其制备方法与应用

本技术涉及环境催化材料与膜分离材料，具体涉及一种碳化硅压电催化膜及其制备方法与应用。

背景技术：

1、压电催化技术能够利用超声、机械振动或流体扰动等机械能产生极化电荷、并具有催化剂可重复利用、减少粉体分离回收需求等潜在优势，成为水处理领域的研究热点。过一硫酸盐（pms）基高级氧化技术因氧化能力强、ph适用范围广而备受关注。将压电催化技术与pms结合（以下简称“pe-pms体系”），利用压电材料在外力作用下产生的极化电荷激活pms，产生·oh、1o2、so4·-等多种高活性氧物种（ros），实现污染物的协同降解，是当前水处理领域的前沿方向。钛酸钡因其无铅、压电常数高、化学稳定性好，是pe-pms体系中压电催化材料的优选。

2、然而，将上述pe-pms催化体系从实验室概念推向实际工程应用，仍面临以下几方面的问题：

3、其一，粉末状钛酸钡压电催化剂在水体中易团聚、难分离、易流失，后续回收困难，难以在连续流膜分离工艺中实现“分离－催化”一体化处理。将催化剂固载于膜基底上是解决回收难题的可行路径，但现有方法制备的压电催化膜普遍存在催化层与膜基底界面结合力弱的问题。例如，公开号为cn119926195a，名称为“一种压电光催化自清洁中空纤维陶瓷膜及其制备方法与应用”的专利文献，该文献公开了在陶瓷膜表面形成钛酸钡基材料的技术方案，但未重点公开用于强碱水热过程的ti-si界面过渡层，也未对所形成催化层在长期超声振动条件下的界面稳定性进行系统说明。

4、其二，现有压电催化膜的基底材料难以适配pe-pms体系的实际工况条件。有机高分子膜在高温水热及长期强氧化条件下可能存在热稳定性和耐氧化稳定性限制；部分氧化铝基膜在高温强碱条件下可能发生表面腐蚀或结构损伤。现有相关技术未重点公开ti-si复合界面过渡层及其在长期超声条件下的界面稳定性。即使采用碳化硅膜作为基底，现有sic膜催化制备工艺仍存在局限。例如，公开号为cn114515587a的专利，公开了一种在碳化硅膜上通过溶胶涂覆结合水热法生长tio2纳米结构的方法，再在tio2纳米结构上负载v2o5-wo3脱硝催化剂，该专利为pe-pms体系提供了一种压电催化膜基底材料的技术启示，但其tio2层为单一组分结构，单一tio2层与sic基底的界面结合力有限，在后续高温强碱水热反应生成钛酸钡过程中及超声催化反应过程中，存在与基底碳化硅层脱落的风险。

5、要同时实现pe-pms催化体系与膜分离技术的双功能，要求膜材料在催化使用过程中保持长期的结构稳定性。催化层与膜基底之间需要形成牢固的结合层，以防止超声振动和流体冲刷导致催化组分脱落。同时，膜基底材料本身需要兼具耐强酸强碱腐蚀、高通量分离特性，以适配较宽的ph范围的废水处理场景。现有技术尚未提供一种同时满足上述基底材料要求和界面结合要求的压电催化膜制备方案。

技术实现思路

1、本技术旨在解决现有技术中压电催化膜在pe-pms体系中，粉末催化剂难以回收、膜基底材料在高温强碱水热条件下稳定性差，以及因缺乏有效的界面过渡层导致压电催化相与膜基底之间结合力弱、催化组分在超声振动和流体冲刷下易脱落，且现有膜基底材料难以同时满足pe-pms体系耐强酸强碱腐蚀和耐高温水热合成要求的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本技术提供如下技术方案：

3、第一方面，本技术提供一种碳化硅压电催化膜，包括纯质碳化硅膜基底、负载于纯质碳化硅膜基底的复合诱导层，以及负载于复合诱导层的batio3颗粒；复合诱导层包含tio2组分和硅氧组分；batio3是由tio2表面原位生成的钛酸钡颗粒。

4、优选地，tio2组分为锐钛矿型tio2。

5、优选地，纯质碳化硅膜为单通道管状膜、多通道管状膜或片状膜中的一种。

6、第二方面，本技术还提供一种碳化硅压电催化膜的制备方法，将纯质碳化硅膜基底浸入ti-si复合溶胶中进行浸渍涂覆，干燥后在450～550℃空气氛围下煅烧，煅烧后再浸没于含钡源的强碱性反应液中进行水热反应。

7、优选地，ti-si复合溶胶的制备方法为：将钛酸四丁酯与无水乙醇混合，加入乙酰丙酮，得到溶液a；将去离子水、分散助剂与无水乙醇混合，加入正硅酸乙酯，用酸调节ph至2.0～2.5，得到溶液b；将溶液b滴入溶液a中，搅拌后陈化，得到ti-si复合溶胶。

8、优选地，分散助剂为聚乙烯吡咯烷酮；聚乙烯吡咯烷酮的质量为钛酸四丁酯质量的3%～10%；去离子水与钛酸四丁酯的摩尔比为（1.0～3.5）:1。

9、优选地，溶液b中的硅源按sio2折算的质量，占溶液a中的钛源按tio2折算的质量与溶液b中的硅源按sio2折算的质量之和的1%～5%。

10、优选地，浸渍涂覆为多次浸渍提拉，浸渍次数为1～5次，每次浸渍时间为10～60s，提拉速率为2～8mm/s，每次浸渍后于80～120℃干燥5～15min。

11、优选地，强碱性反应液以koh或naoh提供碱性环境，以ba(oh)2提供钡源。

12、优选地，koh或naoh的浓度为0.5～1.0m。

13、优选地，ba(oh)2的浓度为0.03～0.1m。

14、优选地，水热反应结束后，将制备的碳化硅压电催化膜取出用去离子水冲洗至中性后干燥。

15、优选地，煅烧的升温速率为1～3℃/min，保温时间为60～180min。

16、优选地，水热反应的温度为180～220℃，保温时间为18～48h。

17、第三方面，本技术还提供了上述碳化硅压电催化膜在有机废水处理中的应用。

18、本技术的技术效果在于：

19、1.本技术通过设置由锐钛矿型tio2和硅氧组分组成的复合诱导层，构建了“纯质sic基底-复合诱导层-batio3催化相”的多级结构。其中，复合诱导层中的锐钛矿型tio2为batio3的原位生长提供钛源和成核位点，复合诱导层中的硅氧组分作为界面过渡组分和无机粘结组分，改善锐钛矿型tio2在碳化硅晶粒表面的铺展与附着稳定性，降低复合诱导层在强碱水热和超声使用过程中的剥离脱落风险。

20、2.本技术采用纯质碳化硅膜作为基底，其耐强酸强碱、高孔隙率、高通量、高机械强度的特性，可适配钛酸钡水热生长的高温强碱性环境，同时兼容pms体系的强氧化性工况，在所述实施例水热条件下，重结晶sic基底表现出较好的结构保持能力，有利于提高催化膜在强碱水热和超声条件下的稳定性。

21、3.本技术通过ti-si复合溶胶浸渍涂覆结合高温强碱水热法，实现复合诱导层构筑和batio3的原位生长；batio3压电性能优良，且在膜表面及膜孔道内壁上均实现原位生长，形成三维催化活性位点，保证了充足的催化活性位点和压电响应性能；制备工艺简便可控。

22、4.本技术制备的碳化硅压电催化膜同时具备膜分离功能和压电催化功能，在有机废水处理中可实现污染物的物理截留与化学降解的协同作用。在超声振动条件下能够高效激活pms，显著提升活性氧物种（·oh、1o2、so4·-等）的生成效率和有机污染物降解性能；超声驱动的pms激活方式无需额外电源，能耗低于电化学激活体系。