CN102125826A - 一种光触媒材料膜片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光触媒材料的膜片及其制备方法，该方法是用碳纤维作为生长和固载二氧化钛光触媒的基体材料，先将碳纤维进行活化预处理，然后将活化后的碳纤维放在化学气相反应室的中间，利用氩气或者氮气为载气，将四异丙氧基钛通入反应室内，经过化学气相沉积，在碳纤维上得到负载有二氧化钛光触媒的材料，再将二氧化钛光触媒材料按常规方法编织成膜，再由内外圈支架将其固定，即可得到光触媒材料的膜片。通过该方法获得的光触媒材料膜片解决了二氧化钛光触媒材料在实际使用中的负载问题，同时也很好地利用了碳纤维的高强度、较高的热稳定性、化学惰性和高活性吸附能力。

Description

一种光触媒材料膜片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光触媒材料膜片及其制备方法。

背景技术

作为净化空气中和水中污染物最彻底有效的技术，半导体光催化技术成了目前环境污染治理领域的研究和应用热点。

应用二氧化钛光催化材料的焦点问题集中在如何提高纳米二氧化钛的光催化效率以及催化剂固定化。影响二氧化钛光催化效率的因素主要包括：(1)二氧化钛光触媒材料的晶型，(2)光触媒材料的表面特性，(3)光触媒材料的晶粒尺寸。现有方法制备纳米二氧化钛光催化剂的主要技术包括：水热法，溶胶-凝胶法，电化学阳极氧化法，气相法。应用上述制备方法，得到了纳米颗粒、纳米线、纳米管和纳米薄膜结构的纳米二氧化钛光催化材料，这些工作为深入研究纳米二氧化钛的催化机理提供了可能，并表明纳米二氧化钛光触媒具有诸多优点：成本低、无毒害、极大比表面、可掺杂、可敏化、稳定性好且催化机理研究深入，是目前应用最广泛的光触媒材料。

但利用上述的制备方法，还不能满足实际应用，主要的不足之处在于：(1)制备得到的材料结构和尺寸可控性不高，(2)不能大批量制备，(4)制备得到的样品结构和性能不易进一步调制，影响催化效率的提高，(3)得到的纳米结构二氧化钛都需要固化在其它负载材料上才能投入应用。

在现实应用中，遇到的一个最大问题就是光触媒的负载问题。因为即便是纳米二氧化钛光触媒有良好的光催化降解性能，如果在使用中不能保证其负载在需要的位置，而是随着处理过程不断流失，那么其使用效率将会不断降低。

因此，如何有效、方便地实现光触媒制备和负载，是光催化应用中必须解决的一大问题。

负载在碳纤维材料上的二氧化钛光触媒可以有效用于处理气相或液相体系中的污染物，但光催化降解反应是一种表面反应，所以使用的材料必需有足够大的表面，才能保证催化降解的效果。而膜技术而可以很好地解决这一实际需要，所以二氧化钛光触媒材料膜片成为了光触媒应用技术中的一个基本装备模块。

为解决二氧化钛光触媒材料的负载和高效使用问题，本发明提供了一种光触媒材料膜片及其制备方法。

发明内容

本发明目的在于，提供一种光触媒材料膜片及其制备方法，该方法是用碳纤维作为生长和固载二氧化钛光触媒的基体材料，先将碳纤维进行活化预处理，然后将活化后的碳纤维放在化学气相反应室的中间，利用氩气或者氮气为载气，把四异丙氧基钛通入反应室内，经过化学气相沉积，在碳纤维上得到负载有二氧化钛光触媒的材料，再将二氧化钛光触媒材料按常规方法编织成膜，再由内外圈支架将其固定，即可得到光触媒材料膜片。通过该方法获得的光触媒材料膜片解决了二氧化钛光触媒材料在实际使用中的负载问题，同时也很好地利用了碳纤维的高强度、较高的热稳定性、化学惰性和高活性吸附能力。

本发明所述的一种光触媒材料膜片，采用化学气相沉积法在碳纤维上负载二氧化钛光触媒，即可得到二氧化钛光触媒的材料，再将二氧化钛光触媒材料按常规方法进行编织，通过内外支架固定即可，具体操作按下列步骤进行：

a、将碳纤维按常规方法进行活化预处理，活化温度为600-950℃，活化时间为5-15分钟；

b、将活化预处理后的碳纤维送入到化学气相沉积反应室中，以50℃/分钟的升温速率升至250-750℃，以氩气或者氮气为载气，将四异丙氧基钛通入反应室内，气体流量为400-2000sccm，反应时间为5-20分钟，反应完成后，自然降温冷却至室温，经过化学气相沉积法，在表面和中间的孔洞中生长得到二氧化钛光触媒材料；

c、再将步骤b得到二氧化钛光触媒材料按常规方法通过手工或机械方式编织网格状二维碳纤维膜(2)，将网格状二维碳纤维膜(2)的外边沿用外圈支架(1)固定，网格状二维碳纤维膜(2)的内边沿用内圈支架(3)固定即可得到光触媒材料膜片。

一种光触媒材料膜片的制备方法，按下列步骤进行：

a、将碳纤维按常规方法进行活化预处理，活化温度为600-950℃，活化时间为5-15分钟；

b、将活化预处理后的碳纤维送入到化学气相沉积反应室中，以50℃/分钟的升温速率升至250-750℃，以氩气或氮气为载气，将四异丙氧基钛通入反应室内，气体流量为400-2000sccm，反应时间为5-20分钟，反应完成后，自然降温冷却至室温，经过化学气相沉积法，在表面和中间的孔洞中生长得到二氧化钛光触媒材料；

c、再将步骤b得到二氧化钛光触媒材料按常规方法通过手工或机械方式编织成网格状二维碳纤维膜(2)，再将网格状二维碳纤维膜(2)中开有孔，网格状二维碳纤维膜(2)的外边沿用外圈支架(1)固定，网格状二维碳纤维膜(2)中间的孔内边沿用内圈支架(3)固定即可得到光触媒材料膜片。

步骤b活化后的碳纤维在化学气相沉积室内为固定或移动式的，即一边生长，一边连续移动。

步骤b碳纤维上反应生长得到的二氧化钛中锐钛矿结构的二氧化钛所占的比例为90％。

步骤c编织网格状二维碳纤维膜(2)的网孔大小为50-100目。

步骤c编织网格状二维碳纤维(2)为一层或交叉多层。

步骤c编织网格状二维碳纤维膜(2)的内圈支架(3)边缘上涂有导电胶。

步骤c外圈支架(1)与内圈支架(3)制作成任意几何形状。

本发明所述的光触媒材料膜片的制备方法，先通过化学气相沉积、液相方法和喷涂方法制备得到负载二氧化钛光触媒的碳纤维，然后将碳纤维编织成二维结构的光触媒材料膜，再用合适的材料加工成固定光触媒材料膜片的外圈支架和内圈支架，最后将光触媒材料膜与外圈支架和内圈支架连接在一起，最后构成了光触媒材料膜片。

本发明所述的光触媒材料膜片的制备方法，活化后的碳纤维在化学气相沉积室内可以是固定的，也可以是移动式的，即一边生长，一边连续移动，这样能保证碳纤维送入的连续性和生长的连续性。其中，在碳纤维上生长得到的二氧化钛光触媒的量，与生长时间和载气流量成正比。在碳纤维上生长得到的二氧化钛光触媒的相结构，与反应温度相关，为了得到大部分相结构为锐钛矿的二氧化钛，需要控制生长的温度为250-750℃。

应用本发明所述方法负载有二氧化钛光触媒的碳纤维制备出光触媒材料膜片，主要结构包括膜2、外圈支架1和内圈支架3，外圈支架1和内圈支架3中，至少有一个支架是导体材料制成的。光触媒材料膜2是由负载二氧化钛的碳纤维编织成的；膜片中光触媒材料膜的编织可以是一层的，也可以是交叉多层的。

通过本发明所述方法获得的负载在碳纤维上的锐钛矿结构的二氧化钛光触媒，解决了二氧化钛光触媒材料在实际使用中的负载问题，同时也很好地利用了碳纤维的高强度、较高的热稳定性、化学惰性和高活性吸附能力。

附图说明

图1为本发明光触媒材料膜片的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明制备光触媒材料膜片的过程，及光触媒材料膜片的结构作进一步的详细说明。

实施例1

称取50g聚丙烯腈基碳纤维，加入到1升蒸馏水中均匀搅拌5分钟，然后在超声波清洗器中对其超声清洗10分钟，将清洗后的碳纤维从蒸馏水中取出，放入到浓度为0.15mol/L的稀盐酸溶液中，浸泡24小时，再用蒸馏水冲洗至中性，在温度105℃下烘干，将烘干后的碳纤维放入反应炉中，以20℃/分钟的升温速率将反应炉温度升高至600℃，然后在600℃下保持5分钟，对碳纤维进行活化预处理；

将活化预处理后的碳纤维立即送入到化学气相沉积室中，以50℃/分钟的升温速率升至反应温度250℃，以氮气为载气，将四异丙氧基钛送入到反应室内，载气的流量为400sccm，在温度550℃的反应时间为5分钟，反应完成后，自然降温冷却至室温，在表面和中间的孔洞中生长，即可得到负载在聚丙烯腈基碳纤维上的锐钛矿结构的二氧化钛光触媒材料；

再将得到二氧化钛光触媒材料按常规方法通过手工方式编织成面积为150mm×150mm的网格状二维碳纤维膜2，网孔大小为50目，再将网格状二维碳纤维膜2中开有直径为30mm孔，将内圈支架3放在网格状二维碳纤维膜2中圆形孔洞内，在其外边缘涂上导电胶，再将外圈支架1放在网格状二维碳纤维膜2的外边沿处，用导电胶将外圈支架1粘合，最后裁掉外圈支架1***的碳纤维膜即可得到光触媒材料膜片。

外圈支架1与内圈支架3可以制作成任意几何形状。

实施例2

称取100g粘胶基碳纤维，加入到2.5升蒸馏水中均匀搅拌8分钟，然后在超声波清洗器中对其超声清洗8分钟，把清洗后的碳纤维从蒸馏水中取出，放入到浓度为0.15mol/L的稀盐酸溶液中，浸泡24小时。对浸泡完成后的碳纤维，用蒸馏水冲洗至中性，然后在100℃下，对其烘干，将烘干后的碳纤维放入反应炉中，以20℃/分钟的升温速率将反应炉温度升高至800℃，然后在800℃下保持10分钟，对碳纤维进行活化预处理；

活化预处理完成后的碳纤维立即送入到化学气相沉积室中，以50℃/分钟的升温速率升至反应温度500℃，以氮气为载气，将四异丙氧基钛送入到反应室内，载气的流量为1000sccm，在500℃的反应时间为15分钟，反应完成后，自然降温冷却至室温，在表面和中间的孔洞中生长，即可得到负载在聚丙烯腈基碳纤维上的锐钛矿结构的二氧化钛光触媒材料；

再将得到二氧化钛光触媒材料按常规方法通过机械方式编织成面积为150mm×300mm的网格状二维碳纤维膜2，网孔大小为80目，将面积为150mm×300mm二维碳纤维膜对折，得到双层的二维碳纤维膜，其面积为150mm×150mm，再将网格状二维碳纤维膜2中开有直径为30mm孔，将内圈支架3放在网格状二维碳纤维膜2中圆形孔洞内，在其外边缘涂上导电胶，再将外圈支架1放在网格状二维碳纤维膜2的外边沿处，用导电胶将外圈支架1粘合，最后裁掉外圈支架1***的碳纤维膜即可得到光触媒材料膜片。

外圈支架1与内圈支架3可以制作成任意几何形状。

实施例3

称取50g沥青基碳纤维，加入到1升蒸馏水中均匀搅拌5分钟，然后在超声波清洗器中对其超声清洗10分钟，把清洗后的碳纤维从蒸馏水中取出，放入到浓度为0.2mol/L的稀盐酸溶液中，浸泡24小时，对浸泡完成后的碳纤维，用蒸馏水冲洗至中性，然后在80℃下，对其烘干，将烘干后的碳纤维放入反应炉中，以20℃/分钟的升温速率将反应炉温度升高至950℃，然后在950℃下保持15分钟，对碳纤维进行活化预处理；

活化预处理完成后的碳纤维立即送入到化学气相沉积室中，以50℃/分钟的升温速率升至反应温度750℃，以氩气为载气，将四异丙氧基钛送入到反应室内，载气的流量为2000sccm，在750℃的反应时间为20分钟，反应完成后，自然降温冷却至室温，在表面和中间的孔洞中生长，即可得到负载在聚丙烯腈基碳纤维上的锐钛矿结构的二氧化钛光触媒材料；

再将得到二氧化钛光触媒材料按常规方法通过机械方式编织成面积为150mm×150mm网格状二维碳纤维膜2，再将网格状二维碳纤维膜2中开有直径为30mm孔，将内圈支架3放在网格状二维碳纤维膜2中圆形孔洞内，在其外边缘涂上导电胶，再将外圈支架1放在网格状二维碳纤维膜2的外边沿处，用导电胶将外圈支架1粘合，最后裁掉外圈支架1***的碳纤维膜即可得到光触媒材料膜片。

外圈支架1与内圈支架3可以制作成任意几何形状。

Claims (8)

1.一种光触媒材料膜片，其特征在于采用化学气相沉积法在碳纤维上负载二氧化钛光触媒，即可得到二氧化钛光触媒的材料，再将二氧化钛光触媒材料按常规方法进行编织，通过内外支架固定即可，具体操作按下列步骤进行：

a、将碳纤维按常规方法进行活化预处理，活化温度为600℃-950℃，活化时间为5分钟-15分钟；

b、将活化预处理后的碳纤维送入到化学气相沉积反应室中，以50℃/分钟的升温速率升至250-750℃，以氩气或者氮气为载气，将四异丙氧基钛通入反应室内，气体流量为400-2000sccm，反应时间为5-20分钟，反应完成后，自然降温冷却至室温，经过化学气相沉积法，在表面和中间的孔洞中生长得到二氧化钛光触媒材料；

c、再将步骤b得到二氧化钛光触媒材料按常规方法通过手工或机械方式编织成网格状二维碳纤维膜(2)，将网格状二维碳纤维膜(2)的外边沿用外圈支架(1)固定，网格状二维碳纤维膜(2)的内边沿用内圈支架(3)固定即可得到光触媒材料膜片。

2.根据权利要求1所述的一种光触媒材料膜片的制备方法，其特征在于按下列步骤进行：

a、将碳纤维按常规方法进行活化预处理，活化温度为600-950℃，活化时间为5-15分钟；

b、将活化预处理后的碳纤维送入到化学气相沉积反应室中，以50℃/分钟的升温速率升至250-750℃，以氩气或者氮气为载气，将四异丙氧基钛通入反应室内，气体流量为400-2000sccm，反应时间为5-20分钟，反应完成后，自然降温冷却至室温，经过化学气相沉积法，在表面和中间的孔洞中生长得到二氧化钛光触媒材料；

c、再将步骤b得到二氧化钛光触媒材料按常规方法通过手工或机械方式编织成网格状二维碳纤维膜(2)，再将网格状二维碳纤维膜(2)中开有孔，网格状二维碳纤维膜(2)的外边沿用外圈支架(1)固定，网格状二维碳纤维膜(2)中间的孔内边沿用内圈支架(3)固定即可得到光触媒材料膜片。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤b活化后的碳纤维在化学气相沉积室内为固定或移动式的，即一边生长，一边连续移动。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤b碳纤维上反应生长得到的二氧化钛中锐钛矿结构的二氧化钛所占的比例为90％。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤c编织网格状二维碳纤维膜(2)的网孔大小为50-100目。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于步骤c编织网格状二维碳纤维膜(2)为一层或交叉多层。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤c固定网格状二维碳纤维膜(2)的内圈支架(3)边缘上涂有导电胶。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于步骤c外圈支架(1)与内圈支架(3)制作成任意几何形状。

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