專利名稱：：一種負(fù)載型光催化劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種光催化劑及其制備方法。技術(shù)背景近年來隨著室內(nèi)建筑裝飾材料、家用化學(xué)物質(zhì)的使用室內(nèi)空氣污染越來越嚴(yán)重，居室、辦公室中所用涂料、油漆、膠合板等都可向空氣中釋放揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)如甲醛、苯等造成室內(nèi)污染，嚴(yán)重危害人們健康，特別具有致癌性，已成為引發(fā)嬰幼兒患白血病的最主要因素。使用光催化劑去除室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物是最為有效的辦法，可以避免吸附劑引發(fā)飽和而產(chǎn)生的二次污染，并且環(huán)保、節(jié)能；但是，目前光催化劑的揮發(fā)性有機(jī)化合物去除效果差，尤其是分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的苯，極難降解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，苯對(duì)于與羥基自由基或氯自由基的反應(yīng)活性僅為甲苯的1/13，制約了光催化劑的發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決目前光催化劑苯去除效果差的問題，而提供的一種負(fù)載型光催化劑及其制備方法。負(fù)載型光催化劑為表面負(fù)載有15層Ti02顆粒的活性炭纖維。上述負(fù)載型光催化劑按以下步驟制備一、將3040mL鈦酸四丁酯加入6080mL乙醇中攪拌均勻，然后加入2030mL冰醋酸攪拌均勻，得到溶液A;二、將3040mL去離子水和3040mL乙醇混合，然后用濃HCl調(diào)節(jié)pH值至23，再加入l~2mL甲酰胺攪拌均勻得到溶液B;三、在2040。C條件下將溶液B緩慢滴加入溶液A中，得到二氧化鈦溶膠，再將二氧化鈦溶膠置于204(TC的環(huán)境中陳化23h;四、采用浸漬提拉法將經(jīng)過陳化的二氧化鈦溶膠涂覆于活性炭纖維上，然后用微波輻射，再轉(zhuǎn)入高純氮?dú)獯祾摺⑸郎厮俾蕿?10°C/min的環(huán)境中加熱至200250°C，并在200250。C條件下恒溫l2h，然后再以510°C/min的速度加熱至400士50。C，并在400士50。C條件下恒溫煅燒23h，之后自然冷卻至室溫，即得到負(fù)載型光催化劑；其中步驟四操作15次。本發(fā)明負(fù)載型光催化劑在光照條件下Ti02表面的電子產(chǎn)生躍遷，生成高活性的強(qiáng)氧化物h+和OH自由基，h+和'OH自由基能氧化絕大多數(shù)的有機(jī)及部分無機(jī)污染物，使其逐步氧化降解，生成C02、H20等無害或低毒物質(zhì)；活性炭纖維通過吸附作用在催化劑周圍形成一個(gè)揮發(fā)性有機(jī)化合物相對(duì)高濃度的環(huán)境，能夠提高反應(yīng)物質(zhì)的分解速率，而且反應(yīng)在催化劑表面的吸附態(tài)下進(jìn)行，產(chǎn)生的中間產(chǎn)物也通過吸附作用在催化劑表面發(fā)生進(jìn)一步催化氧化為對(duì)人體無害的物質(zhì)，避免了中間產(chǎn)物外逸到空氣中，避免了二次污染的發(fā)生。以Ti02作為降解中心形成活性炭纖維(ACF)內(nèi)外吸附質(zhì)的濃度差，又促使ACF上的吸附物質(zhì)向TK)2表面遷移，實(shí)現(xiàn)了ACF的原位再生，增加了ACF的平衡吸附量和使用壽命。本發(fā)明負(fù)載型光催化劑將納米Ti02顆粒固定于多孔的活性炭纖維上，活性炭纖維具有氣流導(dǎo)向作用，極大地增加了本發(fā)明負(fù)載型光催化劑與待凈化空氣的接觸幾率和反應(yīng)效率，提高了空氣凈化的效果。本發(fā)明負(fù)載型光催化劑在3070°C、光照lh的條件下對(duì)苯的去除率達(dá)28%以上，而且不受氣相環(huán)境中苯濃度的影響。經(jīng)過一定時(shí)間的使用本發(fā)明負(fù)載型光催化劑可以將封閉環(huán)境中的揮發(fā)性有機(jī)化合物(特別是苯)徹底分解為無毒、無害、無味的物質(zhì)。本發(fā)明負(fù)載型光催化劑的制備方法中采用微波對(duì)涂覆于活性炭纖維上的二氧化鈦溶膠進(jìn)行處理可抑制二氧化鈦膠粒長(zhǎng)大(二氧化鈦顆粒粒徑為1013nm)、增加溶膠的均勻性，并能提高二氧化鈦顆粒中銳鈦礦相的含量，增加比表面積，能夠有效的增大本發(fā)明負(fù)載型光催化劑的光吸收閾值、增加光致電子的躍遷幾率，提高多相光催化過程的本征量子效率，從而提高光催化去除苯等揮發(fā)性有機(jī)化合物的效率。本發(fā)明負(fù)載型光催化劑的制備方法在步驟四中400士50。C條件下恒溫煅燒可以保證二氧化鈦完整的銳鈦礦晶型結(jié)構(gòu)，提高光催化效果。本發(fā)明方法制備的負(fù)載型光催化劑表面二氧化鈦的附著性好，不易脫落。圖1是活性炭纖維的掃描電鏡圖，圖2是具體實(shí)施方式六負(fù)載型光催化劑的掃描電鏡圖，圖3是具體實(shí)施方式三負(fù)載型光催化劑的掃描電鏡圖，圖4是具體實(shí)施方式四負(fù)載型光催化劑的掃描電鏡圖，圖5是具體實(shí)施方式五負(fù)載型光催化劑的掃描電鏡圖，圖6是具體實(shí)施方式七負(fù)載型光催化劑的掃描電鏡圖，具體實(shí)施方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式，還包括各具體實(shí)施方式間的任意組合。具體實(shí)施方式一本實(shí)施方式負(fù)載型光催化劑為表面負(fù)載有15層Ti02顆粒的活性炭纖維?；钚蕴坷w維掃描電鏡圖如圖1所示。本實(shí)施方式所用的活性炭纖維的比表面積為8001500m2/g，總孔容積為0.350.65m2/g，孔徑為1621入。具體實(shí)施方式二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是表面負(fù)載的Ti02顆粒的粒徑為1013nm。其它與實(shí)施方式一相同。經(jīng)檢測(cè)本實(shí)施方式中Ti02顆粒的粒徑為1013nm，處于13nm的臨界尺寸，因此具有高活性。具體實(shí)施方式三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是負(fù)載型光催化劑為表面負(fù)載有2層Ti02顆粒的活性炭纖維。其它與實(shí)施方式一相同。圖3是本實(shí)施方式負(fù)載型光催化劑的掃描電鏡圖，負(fù)載型光催化劑表面致密、平整。具體實(shí)施方式四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是負(fù)載型光催化劑為表面負(fù)載有3層Ti02顆粒的話性炭纖維。其它與實(shí)施方式一相同。圖4是本實(shí)施方式負(fù)載型光催化劑的掃描電鏡圖，負(fù)載型光催化劑表面致密、平整。具體實(shí)施方式五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是負(fù)載型光催化劑為表面負(fù)載有4層Ti02顆粒的活性炭纖維。其它與實(shí)施方式一相同。圖5是本實(shí)施方式負(fù)載型光催化劑的掃描電鏡圖，負(fù)載型光催化劑表面致密、平整。'具體實(shí)施方式六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是負(fù)載型光催化劑為表面負(fù)載有1層Ti02顆粒的活性炭纖維。其它與實(shí)施方式一相同。圖2是本實(shí)施方式負(fù)載型光催化劑的掃描電鏡圖，負(fù)載型光催化劑表面致密、平整。具體實(shí)施方式七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是負(fù)載型光催化劑為表面負(fù)載有5層Ti02顆粒的活性炭纖維。其它與實(shí)施方式一相同。圖6是本實(shí)施方式負(fù)載型光催化劑的掃描電鏡圖，表面負(fù)載性變差，負(fù)載型光催化劑表面未開裂，表面致密、平整。具體實(shí)施方式八本實(shí)施方式負(fù)載型光催化劑按以下步驟制備一、將3040mL鈦酸四丁酯加入6080mL乙醇中攪拌均勻，然后加入2030mL冰醋酸攪拌均勻，得到溶液A;二、將3040mL水和3040mL乙醇混合，然后用濃HC1調(diào)節(jié)pH值至23，再加入12mL甲酰胺攪拌均勻得到溶液B;三、在204(TC條件下將溶液B緩慢滴加入溶液A中，得到二氧化鈦溶膠，再將二氧化鈦溶膠置于204(TC的環(huán)境中陳化23h;四、采用浸漬提拉法將經(jīng)過陳化的二氧化鈦溶膠涂覆于活性炭纖維上，然后用微波輻射，再轉(zhuǎn)入高純氮?dú)獯祾?、升溫速率?10"C/min的環(huán)境中加熱至20025(TC，并在200250。C條件下恒溫12h，然后再以5l(TC/min的速度加熱至400士5(TC，并在400士5(TC條件下恒溫煅燒23h，之后自然冷卻至室溫，即得到負(fù)載型光催化劑；其中步驟四操作15次。本實(shí)施方式步驟四中高純氮?dú)獾募兌葹?9.9%。本實(shí)施方式步驟三中溶液B按l滴/s的速度滴加。本實(shí)施方式中用到的乙醇為無水乙醇。本實(shí)施方式溶液A為透明黃色溶液。本實(shí)施方式步驟二中濃HC1不僅具有調(diào)節(jié)pH值的作用，而且催化作用。甲酰胺具有低蒸汽壓和低揮發(fā)性，因此能夠?qū)⑼讖街械拇既軇┚鶆蛘舭l(fā)，從而減小干燥應(yīng)力，避免干凝膠的開裂，大大提高了與基底的結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)以甲酰胺為成核中心，顯著降低了二氧化鈦結(jié)晶的溫度，能大幅降低高熱處理對(duì)基材活性炭纖維機(jī)械性能的損害。本實(shí)施方式步驟四在400士S0。C條件下恒溫煅燒，不僅溫度低，對(duì)基材活性炭纖維機(jī)械性能損害小，而且可節(jié)省大量能源。當(dāng)環(huán)境中苯濃度過大時(shí)本實(shí)施方式制備的負(fù)載型光催化劑的光催化效率初始階段較低，這是由于負(fù)載型光催化劑的降解活性位是一定的，因此苯分子可能過飽和的吸附在Ti02的表面，一定程度上影響本實(shí)施方式負(fù)載型光催化劑對(duì)光的吸收以及空穴對(duì)苯的氧化效率；加之苯的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，在降解的中間過程中會(huì)生成一些更難降解的中間產(chǎn)物，覆蓋在負(fù)載型光催化劑表面的活性位，所以初始階段光催化分解去除率較低；但經(jīng)過一段時(shí)間(不超過20min)后吸附平衡的緩沖作用失效，氣相中苯的濃度又迅速降低。本實(shí)施方式負(fù)載型光催化劑在3070°C、光照lh的條件下苯的去除率達(dá)28%以上。表1是在不同負(fù)載次數(shù)(步驟四操作次數(shù)，即不同負(fù)載層數(shù))的條件下本實(shí)施方式負(fù)載型光催化劑在lh內(nèi)的苯分解去除率(其它制備及測(cè)試條件均相同)。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>具體實(shí)施方式九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟一中在攪拌的狀態(tài)下將鈦酸四丁酯加入乙醇。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟一中加入冰醋酸后攪拌速度為300500r/min，攪拌時(shí)間為30士5min。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四中活性炭纖維先用濃度為lmol/L稀鹽酸浸泡510min，然后用去離子水沖洗表面的鹽酸，再在100120。C條件下烘干23h，之后再涂覆二氧化鈦溶膠。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四中浸漬提拉的速度為510cm/min。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四中微波輻射的功率為200~300W，頻率為2.45GHz，微波輻射時(shí)間為12min。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四操作2次。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。在苯初始濃度為5853mg/m3、氣相體系的溫度恒定在70°C、紫外燈功率8W、紫外波長(zhǎng)253.7nm、氣體循環(huán)速率1L/min、光照時(shí)間為60min的條件下，本實(shí)施方式負(fù)載型光催化劑苯的分解率為28.19%。在苯初始濃度為2926.5mg/m3、氣相體系的溫度恒定在70°C、紫外燈功率8W、紫外波長(zhǎng)253.7nm、氣體循環(huán)速率1L/min、光照時(shí)間為60min的條件下，本實(shí)施方式負(fù)載型光催化劑苯的分解率為28.75°%。在苯初始濃度為585.34mg/m3、氣相體系的溫度恒定在50°C、紫外燈功率8W、紫外波長(zhǎng)253.7nm、氣體循環(huán)速率1L/min、光照時(shí)間為40min的條件下，本實(shí)施方式負(fù)載型光催化劑苯的分解率為42.55%。具體實(shí)施方式十五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四操作3次。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四操作4次。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四中高純氮?dú)獯祾叩牧髁繛?040mL/min。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。具體實(shí)施方式十八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式八的不同點(diǎn)是步驟四中40(TC條件下恒溫煅燒2.5h。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。表2是步驟四在不同溫度條件下恒溫煅燒二氧化鈦溶膠所得到的負(fù)載型光催化劑在lh內(nèi)的苯分解去除率(其它制備及測(cè)試條件均相同，二氧化鈦均負(fù)載2次)。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權(quán)利要求1、一種負(fù)載型光催化劑，其特征在于負(fù)載型光催化劑為表面負(fù)載有1～5層TiO2顆粒的活性炭纖維。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種負(fù)載型光催化劑，其特征在于表面負(fù)載的7102顆粒的粒徑為1013nm。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種負(fù)載型光催化劑，其特征在于負(fù)載型光催化劑為表面負(fù)載有24層Ti02顆粒的活性炭纖維。4、制備權(quán)利要求1所述的一種負(fù)載型光催化劑的方法，其特征在于負(fù)載型光催化劑按以下步驟制備一、將3040mL鈦酸四丁酯加入6080mL乙醇中攪拌均勻，然后加入2030mL冰醋酸攪拌均勻，得到溶液A;二、將3040mL去離子水和3040mL乙醇混合，然后用濃HC1調(diào)節(jié)pH值至2~3，再加入12mL甲酰胺攪拌均勻得到溶液B;三、在2040。C條件下將溶液B緩慢滴加入溶液A中，得到二氧化鈦溶膠，再將二氧化鈦溶膠置于204(TC的環(huán)境中陳化23h;四、采用浸漬提拉法將經(jīng)過陳化的二氧化鈦溶膠涂覆于活性炭纖維上，然后用微波輻射，再轉(zhuǎn)入高純氮?dú)獯祾摺⑸郎厮俾蕿?10'C/min的環(huán)境中加熱至20025(TC，并在20025(TC條件下恒溫l2h，然后再以510°C/min的速度加熱至400±50°C，并在400士50。C條件下恒溫煅燒23h，之后自然冷卻至室溫，即得到負(fù)載型光催化劑；其中步驟四操作15次。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種負(fù)載型光催化劑的制備方法，其特征在于步驟一中在攪拌的狀態(tài)下將鈦酸四丁酯加入乙醇。6、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種負(fù)載型光催化劑的制備方法，其特征在于步驟一中加入冰醋酸后攪拌速度為300500r/min，攪拌時(shí)間為30士5min。7、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種負(fù)載型光催化劑的制備方法，其特征在于步驟四中活性炭纖維先用濃度為lmol/L稀鹽酸浸泡510min，然后用去離子水沖洗表面的鹽酸，再在100120。C條件下烘干23h，之后再涂覆二氧化鈦溶膠。8、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種負(fù)載型光催化劑的制備方法，其特征在于步驟四中浸漬提拉的速度為510cm/min。9、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種負(fù)載型光催化劑的制備方法，其特征在于步驟四中微波輻射的功率為200300W、頻率為2.45GHz，微波輻射時(shí)間為l2min。10、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種負(fù)載型光催化劑的制備方法，其特征在于步驟四操作24次。全文摘要一種負(fù)載型光催化劑及其制備方法，它涉及一種光催化劑及其制備方法。它解決了目前光催化劑苯去除效果差的問題。負(fù)載型光催化劑為表面負(fù)載有TiO₂顆粒的活性炭纖維。制備方法1.制備溶液A；2.制備溶液B；3.制備二氧化鈦溶膠并陳化；4.將二氧化鈦溶膠涂覆于活性炭纖維上，然后微波輻射，再轉(zhuǎn)入高純氮?dú)獯祾?、升溫?00～250℃，并恒溫1～2h，然后再熱至400±50℃，并恒溫煅燒2～3h，再冷卻至室溫。本發(fā)明負(fù)載型光催化劑在30～70℃、光照1h的條件下苯的去除率達(dá)28％以上，不受氣相環(huán)境中苯濃度的影響；經(jīng)過一定時(shí)間的使用可以將封閉環(huán)境中的揮發(fā)性有機(jī)化合物徹底分解為無毒、無害、無味的物質(zhì)。文檔編號(hào)A61L9/22GK101318129SQ20081006497公開日2008年12月10日申請(qǐng)日期2008年7月23日優(yōu)先權(quán)日2008年7月23日發(fā)明者劉守新,劉正鋒申請(qǐng)人:劉守新;劉正鋒