CN101357330A - 用于紫外光及可见光催化活性材料的光催化纳米材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于紫外光及可见光催化活性材料的光催化纳米材料,为光催化纳米晶粉体或光催化纳米晶薄膜,晶体结构为WO3·0.33H2O,平均晶粒尺度小于30nm。制备方法为:将钨粉加入双氧水溶液氧化完全,加入浓度调节剂、酸度调节剂制成混合液,经化学沉淀法形成黄色的WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液,经过滤干燥,制得WO3·0.33H2O纳米晶粉体;或进一步对悬浮液进行稀释,制成纳米晶薄膜前躯体;将玻璃或陶瓷或塑料基体预热,用提拉法或喷涂法在基体上形成WO3·0.33H2O纳米晶薄膜。优点是:均可作为紫外光和可见光催化活性材料,具有降解空气和水中各种无机和有机污染物的功能,附有纳米晶薄膜的基材具有自清洁功能,可用于环境治理和保护。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于紫外光及可见光催化活性材料的光催化纳米材料,晶体结构为WO3·0.33H2O,用这种纳米晶体制备的光催化纳米晶粉体或纳米晶薄膜在紫外光或可见光照射下都具备降解有机污染物的性能。
背景技术
纳米尺度光催化材料具有降解空气和水中各种无机和有机污染物的功能,可用于环境治理和保护。当它涂覆在不同基体如玻璃、陶瓷和塑料表面形成薄膜时,可使这些材料具有自清洁功能。目前广泛开发和应用的光催化剂是氧化钛纳米材料,但是氧化钛作为光催化材料的不足之处是只能用紫外光照射激发。由于紫外光仅占约5%左右的太阳光能量,因此氧化钛的这一光催化特点限制了它在太阳光源条件下的光催化降解污染物效率,也影响到它在室内缺少紫外光源条件下的应用。为此,需要开发在紫外及可见光波长范围均具有良好光催化活性的材料。
目前已经发明的各种紫外及可见光波长光催化材料主要是对氧化钛纳米晶体的掺杂、修饰或复合,使主晶相氧化钛的吸收波长从紫外光向可见光波段延伸,形成一定的可见光催化活性。已经有的此类发明包括:
用沉淀法和水热法制备氧化钨修饰氧化钛晶体,其吸收波长可大于400nm,具有可见光光催化活性(中国公开号CN1775349);
或用尿素作为添加原料制备氮掺杂氧化钛纳米晶体,也具有可见光的光催化活性(中国公开号CN1257013);
或将硒化镉纳米颗粒通过巰基乙酸连接到氧化钛纳米棒上,形成复合结构,也获得了可见光催化活性(中国专利号ZL200410054124.4);
此外,还有发明用硫脲、硝酸镧或氯化镧和四氯化钛为原料反应得到掺杂硫、镧的氧化钛晶体,通过如此的复合掺杂得到可见光催化活性。
然而在这些发明中,无论是金属离子掺杂抑或是非金属离子掺杂,掺杂离子浓度都只能局限于百分之几,从而使可见光催化活性难以大幅提高;另一方面,已有发明中的氧化钛修饰和复合材料的制备方法一般需要更多的工序,将导致生产成本的增加。
尽管除了氧化钛以外,也有氧化锌等其它半导体氧化物光催化性能的研究开发,但相比较于氧化钛的丰富原料储存,以及氧化钛晶体的优良化学稳定性,迄今为止尚没有更适宜的取代物,因而氧化钛还是目前光催化材料中最具实用价值的一种材料,大量的研究开发仍然集中于氧化钛光催化活性的改进。目前就光催化材料的大规模推广应用而言,开发新型高效率的紫外及可见光催化材料具有重要价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于紫外光及可见光催化活性材料的光催化纳米材料,包括光催化纳米晶粉体和光催化纳米晶薄膜,具有在紫外光或可见光催化下,可降解空气和水中各种无机和有机污染物的功能,纳米晶薄膜可使基材具有自清洁功能。
本发明所要解决另一技术问题在于提供一种针对上述光催化纳米材料的制备方法。
本发明提供一种解决上述技术问题的技术方案:一种用于紫外光及可见光催化活性材料的光催化纳米材料,为光催化纳米晶粉体,该光催化纳米晶粉体的晶体结构为WO3·0.33H2O,平均晶粒尺度小于30nm。
提供一种针对上述光催化纳米晶粉体的制备方法,包括:将钨粉加入双氧水溶液中氧化完全,加入浓度调节剂和酸度调节剂制成混合液,经化学沉淀法形成黄色WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液,经过滤干燥,制得WO3·0.33H2O纳米晶粉体,其中,所述的浓度调节剂为水、乙醇、丙醇、异丙醇中的一种或其组合物,所述的酸度调节剂为乙酸、盐酸、硝酸中的一种或其组合物。
本发明中的WO3·0.33H2O纳米晶体是这样实现的:将钨粉在室温下溶于双氧水溶液,溶液中首先形成沉淀物[WO2(O2)]·1.6H2O,然后将此系统在低温下反应一段时间,最后得到黄色沉淀,即为所需WO3·0.33H2O晶相。
在此过程中系统经历如下反应:
在上述方案的基础上,所述双氧水溶液的用量不低于为钨粉重量的2.5倍,混合液的浓度为80g/L~250g/L,pH值为1.0~3.0。
进一步,双氧水溶液的用量不低于钨粉重量的5倍。
混合液的浓度具体可以为80,100,120,150,180,200,220或250g/L;混合液的pH值具体可以为1.0,1.2,1.5,1.8,2.0,2.2,2.5,2.8或3.0。
所述的化学沉淀法为,当混合液中形成钨氧化物白色悬浮液后,在60~90℃下继续反应0.5~1小时,形成黄色WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液。
继续反应温度具体可以为60,70,80或90℃,反应时间具体可以为0.5,0.6,0.7,0.8,0.9或1小时。
本发明再提供一种解决上述技术问题的技术方案:一种用于紫外光及可见光催化活性材料的光催化纳米材料,为光催化纳米晶薄膜,以玻璃或陶瓷或塑料作为基体,在基体上形成一层纳米晶薄膜,该光催化纳米晶薄膜的晶体结构为WO3·0.33H2O,平均晶粒尺度小于30nm。
在上述方案的基础上,所述的WO3·0.33H2O纳米晶薄膜的厚度为70~200nm。
厚度具体可以为70,100,120,150,180或200nm。
提供一种针对上述光催化纳米晶薄膜的制备方法,包括:
A、WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液的制备:
将钨粉加入双氧水溶液中氧化完全,加入浓度调节剂和酸度调节剂制成混合液,经化学沉淀法形成黄色的WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液,其中,所述的浓度调节剂为水、乙醇、丙醇、异丙醇中的一种或其组合物,所述的酸度调节剂为乙酸、盐酸、硝酸中的一种或其组合物;
B、WO3·0.33H2O纳米晶薄膜的制备:
对WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液进行稀释,稀释倍率为10~80倍,制成纳米晶薄膜前躯体;将玻璃或陶瓷或塑料基体预热到70~100℃,用提拉法或喷涂法在基体上形成WO3·0.33H2O纳米晶薄膜。
稀释倍率具体可以为10,20,30,40,50,60,70或80倍,优选稀释倍率在30~50倍。
在上述方案的基础上,所述双氧水溶液的用量不低于为钨粉重量的2.5倍,混合液的浓度为80g/L~250g/L,pH值为1.0~3.0。
进一步,双氧水溶液的用量不低于钨粉重量的3倍;
进一步,双氧水溶液的用量不低于钨粉重量的5倍。
混合液的浓度具体可以为80,100,120,150,180,200,220或250g/L;混合液pH值具体可以为1.0,1.2,1.5,1.8,2.0,2.2,2.5,2.8或3.0。
所述的化学沉淀法为,当混合溶液中形成钨氧化物白色悬浮液后,在60~90℃下继续反应0.5~1小时,形成黄色悬浮液。
继续反应温度具体可以为60,70,80或90℃,反应时间具体可以为0.5,0.6,0.7,0.8,0.9或1小时。
所述提拉法为,提拉浸入纳米晶悬浮液的基体材料,基体材料表面形成附着的悬浮液薄膜,在低于100℃的温度干燥后形成纳米晶薄膜;所述喷涂法为,用气压分散从喷嘴流出的纳米晶悬浮液,使之分散成细小液滴,附着在基体表面,在低于100℃的温度干燥后形成纳米晶薄膜。薄膜和基体结合牢固,且无裂纹和剥落等瑕疵。
本发明的有益效果是:
本发明的WO3·0.33H2O晶体具有紫外光和可见光光催化活性,源于此晶体结构中钨氧配位多面体中存在的不同键:W-O、W=O和W-O-2H,不同钨氧键使晶体中存在不同的价带和导带能级,价带电子所需的光激发能量不同,从而形成不同波长范围的光催化活性。利用该晶体特性制备的光催化纳米材料,包括纳米晶粉体和纳米晶薄膜均可作为紫外光和可见光催化活性材料,具有降解空气和水中各种无机和有机污染物的功能,附有纳米晶薄膜的基材具有自清洁功能,可用于环境治理和保护。
附图说明
图1为本发明的光催化纳米材料的紫外及可见光透过率曲线图。
具体实施方式
室温下,将钨粉加入含双氧水的溶液,溶液的组成包括:作为氧化剂的双氧水,作为溶剂的水、乙醇、丙醇和异丙醇的一种或几种的组合,作为添加剂的乙酸、盐酸和硝酸的一种或几种的组合。钨粉经溶解并氧化后,形成初始的白色沉淀;将此悬浮液继续在低温下加热搅拌,直至出现黄色悬浮液;过滤、清洗并低温干燥,即可获得WO3·O.33H2O纳米晶粉体;或将黄色悬浮液稀释,用作制备WO3·O.33H2O纳米晶薄膜的前驱液。
实施例1
光催化纳米晶粉体的制备:
常温下,将10g钨粉加入50ml双氧水溶液(双氧水溶液的密度近似为1g/ml计,双氧水用量为钨粉重量的5倍),待钨粉完全氧化后,加入浓度调节剂乙醇25ml和酸度调节剂浓盐酸2ml制成混合液(混合液的浓度为80g/L~250g/L,pH值为1.0~3.0),采用化学沉淀法:当混合液中形成钨氧化物白色悬浮液后,经70℃反应30分钟后,形成黄色WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液,再经过滤干燥后,得到WO3·0.33H2O纳米晶粉体,其平均晶粒尺度为20nm。
这一纳米晶粉末,在紫外光(250W)照射下,2小时的甲基橙降解率达75%,在金属卤素灯可见光(150W)照射下,2小时的甲基橙降解率达25%。
实施例2
光催化纳米晶薄膜的制备:
A、WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液的制备:
常温下,将10g钨粉加入50ml双氧水(双氧水溶液的密度近似为1g/ml计,双氧水用量为钨粉重量的5倍),待钨粉完全氧化后,加入浓度调节剂乙醇30ml和水50ml,以及酸度调节剂乙酸5ml制成混合液(混合液的浓度为80g/L~250g/L,pH值为1.0~3.0),采用化学沉淀法:当混合液中形成钨氧化物白色悬浮液后,经70℃反应30分钟后,形成黄色WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液,平均晶粒尺度为15nm;
B、WO3·0.33H2O纳米晶薄膜的制备:
对WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液用去离子水稀释10倍,将待镀膜的玻璃片预加热至80℃,用提拉法或喷涂法将已制备的WO3·0.33H2O纳米晶稀释液体在玻璃表面形成WO3·0.33H2O薄膜。此薄膜具有优良的紫外光和可见光降解甲基橙性能。
上述两实施例中的光催化活性测试选用有色化合物甲基橙溶液的降解率表达。具体测试过程为:配制20mg/L浓度的甲基橙水溶液,将50mgWO3·0.33H2O粉体或镀有粉体薄膜的2.5×2.5cm玻璃试样置入50ml甲基橙水溶液中。将两支125W高压汞灯置于测试溶液上方25cm处作为紫外光源;或在使用可见光源时,将1支150W的金属卤素灯和JB450滤光片置于测试溶液上方25cm处。盛有甲基橙溶液的容器外壁通循环冷却水降温,并置于水浴中,用测温仪监控水浴温度,使甲基橙溶液温度保持在23℃±2℃,以此保证不会因为光照引起溶液升温而影响甲基橙的降解率测试。甲基橙溶液内通入少量空气,以利于溶液中光催化反应的进行。经一定时间光催化反应的甲基橙溶液取出后,用分光光度计测试甲基橙溶液在470nm处的吸光度。由于溶液中溶解的甲基橙浓度正比于吸光度,根据吸光度的变化可以计算甲基橙的降解率。
请参阅图1为本发明的光催化纳米材料的紫外及可见光透过率曲线图所示,具体表现为涂覆有WO3·0.33H2O薄膜的钠钙硅玻璃,此薄膜不但在小于380nm的紫外光波长范围有一强烈的吸收峰,在450~700nm的可见光波长范围也有很宽的吸收峰。
Claims (10)
1、一种用于紫外光及可见光催化活性材料的光催化纳米材料,其特征在于:所述的光催化纳米材料为光催化纳米晶粉体,该光催化纳米晶粉体的晶体结构为WO3·0.33H2O,平均晶粒尺度小于30nm。
2、针对权利要求1所述的光催化纳米晶粉体的制备方法,其特征在于:将钨粉加入双氧水溶液中氧化完全,加入浓度调节剂和酸度调节剂制成混合液,经化学沉淀法形成黄色WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液,经过滤干燥,制得WO3·0.33H2O纳米晶粉体,其中,所述的浓度调节剂为水、乙醇、丙醇、异丙醇中的一种或其组合物,所述的酸度调节剂为乙酸、盐酸、硝酸中的一种或其组合物。
3、根据权利要求2所述的光催化纳米晶粉体的制备方法,其特征在于:所述双氧水溶液的用量不低于为钨粉重量的3倍,混合液的浓度为80g/L~250g/L,pH值为1.0~3.0。
4、根据权利要求2或3所述的光催化纳米晶粉体的制备方法,其特征在于:所述的化学沉淀法为,当混合液中形成钨氧化物白色悬浮液后,在60~90℃下继续反应0.5~1小时,形成黄色WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液。
5、一种用于紫外光及可见光催化活性材料的光催化纳米材料,其特征在于:所述的光催化纳米材料为光催化纳米晶薄膜,以玻璃或陶瓷或塑料作为基体,在基体上形成一层纳米晶薄膜,该光催化纳米晶薄膜的晶体结构为WO3·0.33H2O,平均晶粒尺度小于30nm。
6、根据权利要求5所述的用于紫外光及可见光催化活性材料的光催化纳米材料,其特征在于:所述的WO3·0.33H2O纳米晶薄膜的厚度为70~200nm。
7、针对权利要求5或6所述的光催化纳米晶薄膜的制备方法,其特征在于:
A、WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液的制备:
将钨粉加入双氧水溶液氧化完全,加入浓度调节剂、酸度调节剂制成混合液,经化学沉淀法形成黄色的WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液,其中,所述的浓度调节剂为水、乙醇、丙醇、异丙醇中的一种或其组合物,所述的酸度调节剂为乙酸、盐酸、硝酸中的一种或其组合物;
B、WO3·0.33H2O纳米晶薄膜的制备:
对WO3·0.33H2O纳米晶悬浮液进行稀释,稀释倍率为10~80倍,制成纳米晶薄膜前躯体;将玻璃或陶瓷或塑料基体预热到70~100℃,用提拉法或喷涂法在基体上形成WO3·0.33H2O纳米晶薄膜。
8、根据权利要求7所述的光催化纳米晶薄膜的制备方法,其特征在于:所述双氧水溶液的用量不低于为钨粉重量的2.5倍,混合液的浓度为80g/L~250g/L,pH值为1.0~3.0。
9、根据权利要求7或8所述的光催化纳米晶薄膜的制备方法,其特征在于:所述的化学沉淀法为,当混合溶液中形成钨氧化物白色悬浮液后,在60~90℃下继续反应0.5~1小时,形成黄色悬浮液。
10、根据权利要求7或8所述的光催化纳米晶薄膜的制备方法,其特征在于:所述提拉法为,提拉浸入纳米晶悬浮液的基体材料,基体材料表面形成附着的悬浮液薄膜,在低于100℃的温度干燥后形成纳米晶薄膜;所述喷涂法为,用气压分散从喷嘴流出的纳米晶悬浮液,使之分散成细小液滴,附着在基体表面,在低于100℃的温度干燥后形成纳米晶薄膜。
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C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110525 Termination date: 20130903 |