CN101927157B - 一种纳米多孔二氧化钛光催化材料的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米多孔二氧化钛光催化材料的制备工艺，首先选择锐钛矿型纳米二氧化钛，粒度D₅₀范围在17-20nm；造粒后在70-90MPa压力下模压成型制成坯体；然后坯体在空气烧结炉内在700-850℃烧结15-25分钟，最后可获得气孔率为15-70％、强度为3.2-24.6MPa、材料中锐钛矿含量约79-100％，具有良好光催化性能的二氧化钛块体材料。本发明工艺具有利于回收、重复利用、不致二次污染的优点。

Description

一种纳米多孔二氧化钛光催化材料的制备工艺

技术领域

本发明涉及一种在常压下制备具有光催化性能的纳米二氧化钛块体材料的方法。

背景技术

具有多相光催化性能的半导体包括WO₃、TiO₂、CdS、ZnS、ZnO、Fe₂O₃、CdSe等。相比较而言，TiO₂来源丰富，价格低廉，其光电化学性能十分稳定，耐光腐蚀，并且具有较深的价带能级，可使一些吸热反应在光照射的TiO₂微粒表面得以实现和加速，更重要的是TiO₂本身对人体和微生物无毒性，是理想的环保型光催化剂。

催化用TiO₂多为粉体或者薄膜。将TiO₂粉末与其它助剂混合后，均匀分散在水溶液中，通过调节气流量来保持其在溶液中的悬浮状态，这就是所谓的TiO₂悬浮体系。在早期的研究中，大都采用这种方法来去除水中的有机物，但是这样也存在一些缺点，因为悬浮液透光性差，使光辐射受到影响，而且也很容易造成TiO₂流失，同时还存在微纳米粉反应后分离回收困难等问题。或者将TiO2粉末通过偶联剂与载体粘合在一起，适用于热稳定性差而不能进行高温灼烧的载体。此法工艺简单，对载体性质要求不高，负载得较牢固，但因偶联剂多为有机物，故该法制得的光催化剂的催化活性不高，长期使用会产生裂痕，导致剥落。

为了提高催化剂与目标分子的碰撞几率，可以通过将负载的TiO₂光催化剂制成多孔状，增大比表面积，来达到提高其光催化活性的目的。对于薄膜型TiO₂光催化剂，纳米TiO₂固着性是一个重要的方面。可以将TiO₂粉体或者薄膜附着于某载体上，制作复合光催化剂，比如通过溶胶-凝胶方法将二氧化钛光催化剂负载在泡沫镍、多孔陶瓷或者金属表面。还可以利用热喷涂技术，制备多孔TiO₂光催化涂层。TiO₂的固定化解决了固一液分离的问题，然而负载后的TiO₂催化剂的活性普遍较低，其原因之一就是反应物与负载后催化剂的接触不够充分。但是使用溶胶-凝胶的方法制备多孔TiO₂时，煅烧过程中TiO₂的结构容易发生转变，为了维持锐钛矿型结构必须保持低温烧结，因此材料的强度很低，TiO₂颗粒容易脱落，造成二次污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种常压下经济方便地制备具有较高催化效率的纳米多孔二氧化钛块体材料的方法，具有工艺稳定，操作简单，便于回收、不致二次污染等优势。制备出锐钛矿型的纳米TiO₂块体光催化材料，可以承受一定的压力，可以对循环气体、水体进行催化，成本低、质量好。

为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种纳米多孔二氧化钛光催化材料的制备工艺，包括下述步骤：

(1)选择粒度D₅₀在17-20nm范围的锐钛矿型纳米二氧化钛作为原料；

(2)原料经过造粒后在70-90MPa压力下模压成型制成坯体；

(3)将模压后的坯体放入空气中加热烧结，烧结温度为700-850℃，保温15-25分钟后随炉冷却，得到多孔二氧化钛块体；

(4)通过测试，烧结后的二氧化钛块体的气孔率为15-70％、抗弯强度为3.2-24.6MPa、混晶相中锐钛矿含量为79-100％。

上述方法中，所述混晶相中锐钛矿含量通过以下公式计算：

$X=1-\frac{I_B}{I_B+0.8I_A}*100\%$

I_A：锐钛矿相2θ＝25.341的X-ray衍射峰的强度；

I_B：金红石相2θ＝27.479的X-ray衍射峰的强度。

本发明使用氧化钛纳米晶构筑的二氧化钛多孔材料，通过控制烧结温度及保温时间，可以在常压及较低烧结温度下获得高气孔率、高强度、锐钛矿含量高的二氧化钛块体材料。可用于解决水污染(蓝藻)，工业废弃、室内装修所造成的(气体、水体)污染。特别是在要求催化材料具有一定强度的场合，更有用武之地。这种光催化材料既有较高的光催化活性，又易于从液相和气相中分离和回收，在液相和气相体系中有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1所获样品断口的SEM照片。

图2是本发明实施例1所获样品的光催化效果图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例包括以下步骤：

(1)选择粒度D₅₀(累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径)为17nm的锐钛矿型纳米二氧化钛作为原料；

(2)造粒后在80MPa压力下模压成型制成坯体；

(3)将模压后的坯体放入空气烧结炉内加热烧结，烧结温度为750℃，保温20分钟后随炉冷却，得到多孔二氧化钛块体；

(4)通过测试，烧结后的二氧化钛块体的气孔率为67％、抗弯强度为3.8MPa、锐钛矿相含量为85％。

图1是本实施例中所获样品断口的SEM照片，从照片中可以看出，烧结后样品的晶粒尺寸小于100nm，说明按照上述制备工艺获得的二氧化钛块体为纳米材料。

图2是本实施例中所获样品的光催化效果图。从图中可以发现，随催化时间的延长，降解率逐渐升高，当催化时间为10小时时，降解率为0.5。

实施例2

本实施例同样包括实施例1所述的四个步骤，其中不同之处在于

步骤(1)中选择锐钛矿型纳米二氧化钛的粒度D₅₀为19nm；

步骤(2)中模压成型的压力为70MPa；

步骤(3)中的烧结温度为700℃，保温15分钟；

步骤(4)中烧结后的二氧化钛块体的气孔率为70％、抗弯强度为3.2MPa、锐钛矿相含量为100％。

实施例3

本实施例同样包括实施例1所述的四个步骤，其中不同之处在于

步骤(1)中选择锐钛矿型纳米二氧化钛的粒度D₅₀为18nm；

步骤(2)中模压成型的压力为90MPa；

步骤(3)中的烧结温度为850℃，保温25分钟；

步骤(4)中烧结后的二氧化钛块体的气孔率为15％、抗弯强度为24.6MPa、锐钛矿相含量为79％。

实施例4

本实施例同样包括实施例1所述的四个步骤，其中不同之处在于

步骤(1)中选择锐钛矿型纳米二氧化钛的粒度D₅₀为20nm；

步骤(3)中的烧结温度为850℃，保温25分钟；

步骤(4)中烧结后的二氧化钛块体的气孔率为18％、抗弯强度为22MPa、锐钛矿相含量为80％。

实施例5

本实施例同样包括实施例1所述的四个步骤，其中不同之处在于

步骤(1)中选择锐钛矿型纳米二氧化钛的粒度D₅₀为18nm；

步骤(2)中模压成型的压力为75MPa；

步骤(3)中的烧结温度为770℃，保温15分钟；

步骤(4)中烧结后的二氧化钛块体的气孔率为58％、抗弯强度为5.4MPa、锐钛矿相含量为90％。

实施例1-5所获试样的性能测试方法

1、气孔率、强度的测试：通过阿基米德排水法、三点弯曲测试强度气孔率。

2、晶相组成的测定：通过以下公式计算样品中锐钛矿含量：

$X=1-\frac{I_B}{I_B+0.8I_A}$

I_A：锐钛矿相2θ＝25.341的X-ray衍射峰的强度；

I_B：金红石相2θ＝27.479的X-ray衍射峰的强度。

3、光催化性能的测试：样品规格为长15.60mm、宽11.60mm，采取单面光照；测试容器选取100ml烧杯，测试溶液为甲基橙，其浓度为20mg/L，溶液量为20ml；灯管与液面之间的距离控制在4.5cm。

分别在光照0h、2h、4h、6h、8h、10h后测定溶液的吸光度，并通过以下公式计算光降解率。

d＝(C-c)/C*100％

式中：d为降解率、C为初始吸光度、c为接受光照后某时刻吸光度。

Claims (1)

1.一种纳米多孔二氧化钛光催化材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选择粒度D₅₀在17-20nm范围的锐钛矿型纳米二氧化钛作为原料；

(2)原料经过造粒后在70-90MPa压力下模压成型制成坯体；

(3)将模压后的坯体放入空气中加热烧结，烧结温度为700-850℃，保温15-25分钟后随炉冷却，得到多孔二氧化钛块体；

(4)通过测试，烧结后的二氧化钛块体的气孔率为15-70％、抗弯强度为3.2-24.6MPa、混晶相中锐钛矿含量为79-100％；所述混晶相中锐钛矿含量通过以下公式计算：

I_A：锐钛矿相2θ＝25.341的X-ray衍射峰的强度；

I_B：金红石相2θ＝27.479的X-ray衍射峰的强度。 

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