一種能降解高濃度苯的納米二氧化鈦光催化劑的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種能夠高效降解高濃度苯的納米二氧化鈦光催化劑制備方法，該光催化劑是將水熱法制得的二氧化鈦在NH3和H2氣氛下進(jìn)行退火處理得到，記為N-H-TiO2。本發(fā)明中用到的氣氛為NH3和H2，通氣過程中其流量均為200-400ml/min，熱處理溫度為550-650℃，升溫速率為5-10℃/min，在兩種氣氛下的保溫，待到達(dá)保溫時間后直接打開爐門，自然冷卻至室溫。本發(fā)明所述的N-H-TiO2納米光催化劑呈淡黃色，顆粒均勻分散，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價的成本和簡單的工藝及高效穩(wěn)定的性能，能夠在可見光下快速徹底降解苯這一有毒的揮發(fā)性有機(jī)物。本發(fā)明所述的制備方法能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度、時間和熱處理氣氛的控制，具有簡便可控、能耗低、效率高、無污染的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種能降解高濃度苯的納米二氧化鈦光催化劑的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料科學(xué)技術(shù)和環(huán)保領(lǐng)域，具體地說，是一種在可見光下能夠徹底降 解高濃度苯（>150ppm)的納米二氧化鈦光催化劑的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 二氧化鈦（Ti02)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、無毒性、抗光腐蝕、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被 廣泛地應(yīng)用于光催化、太陽能電池、空氣和水的凈化等方面。二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N催化劑，能 夠?qū)⒈降扔袡C(jī)污染物（室內(nèi)污染氣體）分解成為二氧化碳和水。同時，在轉(zhuǎn)換過程中釋放 出負(fù)氧離子，具有殺菌消毒的作用。但是，110 2的寬帶隙（銳鈦礦約為3. 2eV，金紅石約為 3. OeV)導(dǎo)致其只能吸收僅占太陽光的3%?5%的紫外光，極大地限制了 Ti02光催化劑的 量子產(chǎn)率。所以，人們致力于將Ti02的光響應(yīng)延伸至可見光范圍，使其吸收利用更多的太 陽光。為了縮小帶隙、擴(kuò)寬光響應(yīng)范圍以及增加電子-空穴對的分離效率等使光催化反應(yīng) 能夠高效地進(jìn)行，研究者們采用了很多方法，包括摻雜金屬或非金屬離子、和窄帶隙半導(dǎo)體 耦合、自摻雜、熱處理等。其中，在還原性氣氛中對Ti0 2進(jìn)行熱處理來制備含有氧空位等缺 陷的納米二氧化鈦光催化劑具有很大的優(yōu)勢，而熱處理使Ti02的制備以及光催化活性的調(diào) 控更加簡便易行。人們不僅可以通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)過程中的溫度和時間等參數(shù)優(yōu)化工藝，產(chǎn)生 適當(dāng)濃度的氧空位等缺陷，而且可以與摻雜相結(jié)合發(fā)揮出缺陷和摻雜元素的協(xié)同作用，更 加有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行和效率的提商。
[0003] 由于具有共軛π鍵，苯這一有毒的揮發(fā)性有機(jī)污染物很難被降解。在高濃度時， 苯作為室內(nèi)污染物對人們的身體健康造成很大的威脅。所以，盡可能快速徹底地去除苯顯 得尤為重要。但是，現(xiàn)有的光催化劑在可見光下往往只能部分地降解苯，并且效率不高、降 解時間較長。以往的二氧化鈦光催化劑的制備方法、采用的熱處理工藝以及設(shè)備本身存在 著很多問題，比如工藝復(fù)雜，條件苛刻、制備周期長、能源消耗高等。另外，對光催化劑的制 備過程中產(chǎn)生的缺陷等因素所起到的作用缺乏透徹的認(rèn)識和調(diào)控能力等問題也嚴(yán)重妨礙 對二氧化鈦光催化材料的后續(xù)研究和實(shí)際應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對上述【背景技術(shù)】和存在問題，提出一種能夠在可見光下徹底降 解高濃度苯的納米二氧化鈦光催化劑的制備方法，利用該方法所制備的催化劑具有較強(qiáng)的 光吸收能力和高效的光催化效率，并且降解速度快，最終能夠?qū)⒈竭@一有毒的揮發(fā)性有機(jī) 物快速徹底地降解，從而凈化環(huán)境、消除污染。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，一種納米二氧化鈦光催化劑的制備方法，該方法包括下述步 驟：
[0006] 第1步將Ti02納米粉末放入管式爐中密封，后通入氨氣（濃度為99. 999% )將殘 留在石英管中的空氣排出；
[0007] 第2步空氣排出后，將管式爐升溫至550-650°C后保溫，升溫速率為5-10°C /min， 升溫過程和保溫時間的前半部分持續(xù)通入NH3，保溫的后半部分，停止通入NH3，并通入H 2 ;
[0008] 第3步保溫時間到達(dá)后，打開管式爐的爐門，使其在繼續(xù)通入H2的情況下快速冷 卻至室溫，得到所述二氧化鈦光催化劑N-H-Ti0 2。
[0009] 作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，在管式爐中通入氣體的過程中，NH3和H2的氣體流量均 保持在 200-400ml/min。
[0010] 作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，保溫時間為4-8h，保溫時間的前半部分和后半 部分時間相等。
[0011] 作為上述技術(shù)方案的更進(jìn)一步改進(jìn)，所述Ti02納米粉末為水熱法制備得到的純 Ti02納米粉末。
[0012] 本發(fā)明所述的納米二氧化鈦光催化劑N-H-Ti02具有良好的結(jié)晶度和穩(wěn)定性、合適 的顆粒尺寸。熱處理后得到的N-H-Ti0 2可見光吸收能力增強(qiáng)，光催化活性得到顯著提高， 降解速度快，從而將苯這一有毒的揮發(fā)性有機(jī)物徹底降解，凈化環(huán)境、消除污染。
[0013] 本發(fā)明利用普通的管式爐實(shí)現(xiàn)了對熱處理過程的溫度、時間以及氣氛的有效控 制，以水熱法制得的純Ti0 2為原料制備出一種高效穩(wěn)定的光催化劑N-H-Ti02，它能夠?qū)⒏?濃度的苯這一揮發(fā)性有機(jī)污染物快速徹底降解。本發(fā)明所述的制備方法能夠精確控制熱處 理的整個過程，具有成本低、效率高、能耗低、無污染以及操作簡便、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖 1 中 a, b, c 分別是 N-H-Ti02-5 50, N-H-Ti02-600 和 N-H-Ti02-6 50 這三種納米材 料的微觀形貌；
[0015] 圖 2 是 Ti02, N-H-Ti02-5 50, N-H-Ti02-600 和 N-H-Ti02-6 50 這四種納米材料的 X 射 線衍射譜（XRD);
[0016] 圖3是本發(fā)明所述的N-H-Ti02和其它同類型的樣品光催化降解苯的性能測試結(jié) 果。其中，（3a)C/C Q表示苯的降解率，（3b)C-CQ表示生成的產(chǎn)物C02的量（單位：ppm)，CQ 為初始濃度，C為降解過程中的物質(zhì)濃度。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對于 這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述 的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0018] 本發(fā)明方法所制備的能夠高效降解高濃度苯的納米二氧化鈦光催化劑N-H-Ti02 是將150-200°C下水熱反應(yīng)12h制得的純Ti02在氨氣和氫氣這兩種氣氛中熱處理后得到 的。N-H-Ti0 2的結(jié)晶度高并能有效地吸收可見光，光催化活性增強(qiáng)，降解速度快，最終在可 見光下能夠?qū)⒈竭@一有機(jī)污染物快速徹底地降解。
[0019] 在上述方案中，納米二氧化鈦光催化劑N-H-Ti02的顆粒尺寸約為33. 55nm。在對 N-H-Ti02進(jìn)行光催化性能測試時，降解對象苯的初始濃度約為150ppm，徹底降解苯所用時 間為3h。
[0020] 制備上述納米二氧化鈦光催化劑的方法，該方法具有成本低、效率高、能耗低、無 污染以及操作簡便、易于推廣的特點(diǎn)。
[0021] 納米二氧化鈦光催化劑N-H-Ti02的制備方法，其特征在于：按照上述的水熱法制 得純Ti〇 2后，將其在管式爐中進(jìn)行退火熱處理，具體步驟如下：
[0022] (1)將一定量的純Ti02納米粉末放入陶瓷舟，然后將陶瓷舟放入管式爐的石英管 中并將兩端用不銹鋼密封法蘭密封，而后通入高純度（濃度為99. 999% )的氨氣將殘留在 石英管中的空氣排出，通氣時間為20-30min。
[0023] (2)排氣完成后，打開管式爐的電源開關(guān)，執(zhí)行熱處理的工藝流程。將管式爐的初 始溫度設(shè)定為20°C，退火溫度為550-650°C，升溫速率為5-10°C /min，繼續(xù)通入NH3和H2這 兩種氣體并于升溫完成后在退火氣氛中保溫4h。
[0024] (3)保溫時間到達(dá)后，打開管式爐的爐門，使其在繼續(xù)通入保護(hù)氣氛的情況下快速 冷卻至室溫，最后得到本發(fā)明中所述的高效光催化劑N-H-Ti0 2。
[0025] 在管式爐中通入氣體的過程中，NH3和H2的氣體流量均保持在200-400ml/min。
[0026] 在上述方法中，所用管式爐的型號為：1200°C開啟式管式爐-0TF-1200X，最大功 率為2. 5KW。
[0027] 實(shí)施例1 :
[0028] 本實(shí)施例是對本發(fā)明中提到的將純Ti02在氨氣和氫氣兩種氣氛中進(jìn)行熱處理得 到納米二氧化鈦光催化劑N-H-Ti0 2，然后在可見光下快速徹底地降解苯。其制備方法和光 催化性能測試按照以下步驟進(jìn)行：
[0029] 1、制備純 Ti02
[0030] 將蒸餾水和鈦酸四丁酯在160°C下水熱反應(yīng)12h，而后洗滌、烘干后，得到白色的 Ti〇2粉末樣品；
[0031] 2、預(yù)處理
[0032] 將上述步驟1中制備的純Ti02納米粉末均勻鋪在陶瓷舟的底部，然后把陶瓷舟移 入管式爐的石英管中并在兩端用不銹鋼密封法蘭密封，接著通入高純度的氨氣將殘留在石 英管中的空氣排出。在此過程中氨氣流量為200ml/min，通氣時間為30min。
[0033] 3、熱處理
[0034] 排氣完成后，打開管式爐的電源開關(guān)，執(zhí)行熱處理的工藝流程。將管式爐的初始溫 度設(shè)定為20°C，退火溫度為600°C，升溫速率為5°C /min，繼續(xù)通入NH3和H2這兩種氣體并于 升溫完成后在退火氣氛中保溫4h。保溫時間到達(dá)后，打開管式爐的爐門，使其在繼續(xù)通入保 護(hù)氣氛的情況下快速冷卻至室溫，最后得到本發(fā)明中所述的高效光催化劑N-H-Ti0 2-600。
[0035] 4、光催化性能測試
[0036] 將本發(fā)明所述的N-H_Ti02在可見光照射下利用氣相色譜儀檢測光催化降解過 程中的產(chǎn)物C0 2的生成量和苯的濃度得到圖2的測試結(jié)果。該測試結(jié)果是在可見光照射 下利用氣相色譜儀檢測光催化降解過程中的產(chǎn)物C0 2的生成量和苯的濃度得到的。其 中blank是在無催化劑情況下降解苯以作為本測試的空白對照實(shí)驗(yàn)，Ti02是指水熱法 制備的純Ti0 2, H-Ti02是在氫氣氣氛中將Ti02在600°C下保溫2h進(jìn)行退火熱處理得到 的樣品，^110 2在氨氣氣氛中將1102在6001：下保溫2h進(jìn)行退火熱處理得到的樣品， N-H-Ti02-5 50, N-H-Ti02-500和N-H-Ti02-6 50分別是將Ti02在氨氣和氫氣這兩種氣氛中在 550°C，600°C和650°C下進(jìn)行退火熱處理得到的樣品。
[0037] 實(shí)例2和3 :
[0038] 實(shí)例2和3按照下表中的工藝參數(shù)，采用實(shí)例1相同的進(jìn)行流程可以制備得到納 米二氧化鈦光催化劑。
[0039]

【權(quán)利要求】
1. 一種納米二氧化鈦光催化劑的制備方法，該方法包括下述步驟： 第1步將Ti〇2納米粉末放入管式爐中密封，后通入氨氣將殘留在石英管中的空氣排 出； 第2步空氣排出后，將管式爐升溫至550-650°C后保溫，升溫速率為5-10°C /min，升溫 過程和保溫時間的前半部分持續(xù)通入氨氣，保溫的后半部分，停止通入氨氣，并通入氫氣； 第3步保溫時間到達(dá)后，打開管式爐的爐門，使其在繼續(xù)通入氫氣的情況下快速冷卻 至室溫，得到所述二氧化鈦光催化劑N-H-Ti02。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米二氧化鈦光催化劑的制備方法，其特征在于，在管 式爐中通入氣體的過程中，氨氣和氫氣的氣體流量均保持在200-400ml/min。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米二氧化鈦光催化劑的制備方法，其特征在于，保溫 時間為4-8h，保溫時間的前半部分和后半部分時間相等。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種納米二氧化鈦光催化劑的制備方法，其特征在于， 所述Ti02納米粉末為水熱法制備得到的純Ti0 2納米粉末。
【文檔編號】B01J27/24GK104043470SQ201410230962
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】宋武林, 李明輝, 曾磊, 曾大文, 謝長生 申請人:華中科技大學(xué)