CN1150980C - 可用于水和空气净化的二氧化钛光催化薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于光催化技术的一种经过碳黑改性的可用于水和空气净化的二氧化钛光催化薄膜的制备方法。它是先将钛醇盐溶于醇溶剂中,加入水和造孔剂碳黑配成涂覆浆料,以浸提法涂在基板上,经过多次梯度焙烧后,获得在基板上附着一层多孔的二氧化钛光催化薄膜,用于水和空气的深度净化处理,使水中的有机污染物催化降解率可达到97%左右,使空气中有机污染物催化降解率可达83%左右,因而清洁人们生活的环境,保障身体健康。为治理环境污染,保护环境提供了一种新的方法,开辟新道路。
Description
技术领域
本发明属于光催化技术范围,特别涉及可用于水和空气净化,去除环境中有机污染物的一种可用于水和空气净化的二氧化钛光催化薄膜的制备方法。
背景技术
光催化技术是利用紫外光辐照具有光催化活性的半导体材料。由于其光生空穴及其被俘获后形成羟基自由基,具有极强的氧化能力,几乎可以氧化所有的有机污染物并使之矿化。近年来,随着人们对不同环境介质中难降解的微量有机污染物的关注以及持久性有机污染物和内分泌干扰物概念的提出,光催化氧化技术由于能够直接利用太阳光的特点而更加受到瞩目。用作光催化剂的半导体材料的制备是光催化氧化的核心技术,其主要为具有较宽带隙的金属氧化物和金属硫化物等n型半导体,在这些半导体中,已证明TiO2和ZnO的光催化活性最好,CdS也具有较好的活性,但ZnO和CdS在光照时不稳定,以致于光氧化和光腐蚀必须竞争,出水中往往有Zn2+、Cd2+而实用性较差。TiO2不仅化学性质和光化学性质均十分稳定、无毒价廉,而且其锐钛矿形式具有很高的活性,是目前光催化技术研究中普遍选用的光催化剂。
根据光催化剂在反应中存在状态的不同,可分为粉末型和负载型两种。前者尽管具有较高的活性,但是细小的半导体粉末难以从出水中分离,使得一次性投资和运行费用均很高,难以大规模推广应用。相比之下负载型催化剂具有更好的实用性,然而催化剂一旦被固定,其吸附性能则大大降低,使催化剂的活性不高,稳定性也较差。对于以平板为基材的薄膜固定化催化剂,这一缺陷更为突出,光催化反应中经常出现传质限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于水和空气净化的二氧化钛光催化薄膜的制备方法,在溶胶-凝胶涂覆液中掺杂造孔剂碳黑,在高温焙烧时被去除,从而在薄膜中形成气孔,制备出了一种附着在载体上有许多纳米级孔的二氧化钛光催化薄膜,以碳黑改性的二氧化钛光催化薄膜的制备步骤为:
1.涂覆溶液配制:将适量的碳黑、加入按体积比为10-12%的钛醇盐、2-4%的乙酰丙酮,依次加入80%的醇溶剂中,在液体混合均匀后缓慢滴加4-5%的水,并用超声波使碳黑分散均匀。其中碳黑用作造孔剂,钛醇盐和水用作产生水解反应,乙酰丙酮用作控制水解反应,得到二氧化钛;所述钛醇盐为钛酸异丙酯、钛酸四丁酯;所述醇为一元醇或多元醇,如正丙醇、乙二醇;所述水为纯净的水,如去离子水、蒸馏水。
2.涂覆方法:每次使用前涂覆液均经超声波分散,采用漫润一提拉法在待涂覆基材上镀膜,并在室温下进行干化。待涂覆基材应进行清洗、打磨等预处理,材质为高温下稳定的材料,如铝、不锈钢、玻璃、钛,可以是片状、网状。
3.焙烧方法:基材涂覆后并在室温下干燥,后在高温450-500℃以下焙烧,涂覆一次焙烧一次,可以每次焙烧30min-2h;也可以先在300℃下焙烧30min,重复涂覆和焙烧6次,最后一次焙烧在450℃下焙烧2h。在载体基材上就得到经过碳黑改性的附着牢固有许多纳米孔的二氧化钛光催化簿膜。
本发明得到有益效果是①采用与二氧化钛前驱物具有螯合作用的试剂为水解抑制剂,通过改进溶胶-凝胶方法制备薄膜。最终的光催化薄膜与载体上的牢固性很好,不会出现脱落现象。此外,涂覆液能够保存1个月以上,可以重复利用,不仅操作简便,而且也大大降低了催化剂的制备成本;②做为造孔剂的碳黑在高温下很容易氧化去除,不会残留有机物,可以适当地降低催化剂的高温焙烧强度。同时本方法中还使用了一种新的焙烧方法-“梯度焙烧”,使造孔剂在多次涂覆后一次性从薄膜中去除;③所制备的经过碳黑改性的二氧化钛光催化薄膜具有很好的光催化降解作用:降解水中活性艳红X-3B和苯甲酰胺时,活性是普通TiO2薄膜光催化剂的2倍,可达97%;对气相中挥发性有机物有良好的降解作用可达83%;④本方法改善固定化薄膜光催化剂的吸附能力及与在基材上的附着性,经碳黑改性的二氧化钛光催化薄膜具有很好的稳定性,在实验室进行的4个月的寿命试验中保持活性不变。
附图说明
图1为二氧化钛光催化剂的制备流程图。
具体实施方式
图1所示为二氧化钛光催化剂的制备流程图。涂覆液和基材处理可以同时进行,以漫提涂覆、室温干燥、重复焙烧数次后即得成品。例如,在70ml的正丙醇中依次加入碳黑23.5mg、钛酸四丁酯或钛酸异丙酯10ml和乙酰丙酮3ml,在液体混合均匀后缓慢滴加4ml去离子水,并用超声波分散10~20min,使碳黑分散均匀,净置12h以上即为制备催化剂的涂覆液;在上述基材铝、不锈钢、玻璃、钛中,仅选铝板金属基材为例对本发明予以说明其余类同。铝板经砂纸打磨、清洗、烘干后做为催化剂涂覆的基材;涂覆液在每次使用前均超声分散10~20min,然后将经预处理过的基材浸润于涂覆液中,匀速提拉在待涂覆基材上镀膜,并在室温下进行干化;薄膜干化后置于马福炉中,在300℃下焙烧30min。重复这样的涂覆和梯度焙烧6次,并在最后一次涂覆后在450℃下焙烧2h。即可在载体铝板上获得纳米级多孔TiO2薄膜光催化剂。经过在水相中有机物苯甲酰胺的光催化降解试验。通过高效液相色谱测定反应前后水样中苯甲酰胺的浓度,其光催化反应的降解率可高达97%。还在气相中,以挥发性有机物甲苯为例进行光催化降解试验将待净化的甲苯气体通入反应器,用带氢火焰离子检测器的气相色谱测定反应器测出出口气体中甲苯的浓度,其光催化反应的降解率可高达83%。所述涂覆在基材上的二氧化钛光催化薄膜可用于水和空气的深度净化处理。
Claims (8)
1.一种可用于水和空气净化的二氧化钛光催化薄膜的制备方法,其特征在于:在溶胶-凝胶涂覆液中掺杂造孔剂碳黑,在高温焙烧时被去除,从而在薄膜中形成气孔,制备出了一种附着在载体上许多纳米级孔的二氧化钛光催化薄膜,经碳黑改性的二氧化钛光催化薄膜的制备步骤为:
1).涂覆溶液配制:将适量的碳黑、加入按体积比为10-12%的钛醇盐、2-4%的乙酰丙酮,依次加入80%的醇溶剂中,在液体混合均匀后缓慢滴加4-5%的水,并用超声波使碳黑分散均匀,其中碳黑用作造孔剂,钛醇盐、乙酰丙酮和水用于产生水解反应,得到二氧化钛;
2).涂覆方法:每次使用前涂覆液均经超声波分散,采用浸润-提拉法在待涂覆基材上镀膜,并在室温下进行干化,待涂覆基材应进行清洗、打磨等预处理,材质为高温下稳定的材料;
3).焙烧方法:基材涂覆后并在室温下干燥,后在高温450-500℃以下焙烧,涂覆一次焙烧一次,可以每次焙烧30min-2h;也可以先在300℃下焙烧30min,重复涂覆和焙烧6次,最后一次焙烧在450℃下焙烧2h;在载体基材上就得到经过碳黑改性的附着牢固有许多纳米孔的二氧化钛光催化薄膜。
2.根据权利要求1所述可用于水和空气净化的二氧化钛光催化薄膜的制备方法,其特征在于:所述基材为铝、不锈钢、玻璃或钛;可以是片状或网状。
3.根据权利要求1所述可用于水和空气净化的二氧化钛光催化薄膜的制备方法,其特征在于:所述钛醇盐为钛酸异丙酯或钛酸四丁酯。
4.根据权利要求1所述可用于水和空气净化的二氧化钛光催化薄膜的制备方法,其特征在于:所述醇为一元醇或多元醇。
5.根据权利要求4所述可用于水和空气净化的二氧化钛光催化薄膜的制备方法,其特征在于:所述一元醇为正丙醇。
6.根据权利要求4所述可用于水和空气净化的二氧化钛光催化薄膜的制备方法,其特征在于:所述多元醇为乙二醇。
7.根据权利要求1所述可用于水和空气净化的二氧化钛光催化薄膜,其特征在于:所述水为纯净的水。
8.根据权利要求7所述可用于水和空气净化的二氧化钛光催化薄膜,其特征在于:所述纯净的水为去离子水或蒸馏水。
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CN101752094A (zh) * | 2010-02-26 | 2010-06-23 | 上海交通大学 | 纳米金属掺杂的光子晶体结构电极及其制备方法 |
CN101956194A (zh) * | 2010-09-20 | 2011-01-26 | 北京师范大学 | 一种TiO2薄膜修饰的钛基β-PbO2光电极的制备方法 |
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CN1397377A (zh) | 2003-02-19 |
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