CN102179264A - 一种Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料的制备方法 - Google Patents

一种Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料的制备方法 Download PDF

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一种Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料的制备方法，以MCM-41有序介孔材料为载体，TiO2为催化剂，掺杂铁元素对TiO2进行改性，铁源为硫酸铁，所述MCM-41有序介孔材料用水热法合成，并在骨架形成过程中引入金属钛原子，前驱液中各元素摩尔比为TiO2∶SiO2∶CTAB＝0.02∶1∶0.2，制备步骤：取100目～200目的硅胶加入1.5mol/l的氢氧化钠溶液中，恒速剧烈搅拌；取浓度质量分数10％的CTAB溶液加入其内，恒速剧烈搅拌；取钛酸四丁酯加入其内，恒速剧烈搅拌；取硫酸铁加入其内，恒速剧烈搅拌；用2mol/l的HCl调节溶液的pH至11.5，100℃下晶化反应；将样品水洗至中性，干燥箱内100℃干燥；取出后放入马弗炉在300℃下焙烧。得到的Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料，吸附和光催化性能强，对太阳光有较好响应，性能稳定，可有效治理室内空气污染物甲醛。

Description

一种Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料的制备方法，该种介孔复合材料用于治理室内空气污染物甲醛。
背景技术
随着室内装修的流行和普及，大量含有易挥发性的装饰材料的使用，使得室内污染物浓度增高。甲醛是室内空气污染物的重要组成成分，典型的醛类有机挥发物之一，多以树脂粘合剂的形式存在于材料的深部，不易彻底释放，具有长期性，潜伏性的特点。甲醛是原浆毒物质，对人体有刺激危害作用，一定浓度的甲醛还有致癌致畸作用，对老人，小孩和妇女的危害尤为重大。
目前甲醛的主要治理技术有自然通风法，吸附法，臭氧去除法，非平衡态等离子技术和光催化技术等。自然通风法受时间和周围环境的限制较大，尤其是晚上或者开空调时很少采用开窗通风法；另外，室外污染物浓度较高时，开窗还可能引起污染物的倒灌。吸附法因设备简单，操作方便而得到广泛的使用，但是吸附材料存在吸附饱和的问题，并且所吸附的污染物有可能游离出来造成二次污染。臭氧去除法和非平衡态等离子技术因操作过程复杂，使用条件严格等而无法得到广泛的应用。
光催化技术能在常温常压下有效的降解室内空气污染分子，且降解彻底，性能稳定，因此受到了广泛的关注，是最具应用前景的室内污染物处理技术。常见的光催化剂包括TiO2、ZnO2、Fe2O3、CdS和WO3等。其中TiO2具有良好的抗光腐蚀性和催化活性、性能稳定、价廉易得、无毒无害，是目前公认的最佳光催化剂。但是也存在着自身的局限，如TiO2吸附能力较低导致光催化效率较低；禁带宽，只对紫外光响应，太阳光利用率低。2010年12月，金永飞等人在第4期洁净与空调技术上发表了题为“TiO2/ACF复合材料降解甲醛的实验研究”的论文，文中所述的材料对甲醛的去除率可达90％，但是材料只能对紫外光响应，无法利用太阳光。何红运等人在湖南师范大学自然科学学报2009年第32卷第3期上发表了题为“Ti-Fe-B沸石的合成与结构表征”的论文，文中对材料的合成进行了研究，但是并未对其应用尤其是室内污染物甲醛的去处应用进行研究，且B沸石相对于已经广泛应用的MCM-41而言，吸附性和选择性催化方面仍显不足。
发明内容
本发明公开了一种Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料的制备方法，用于治理室内空气污染物甲醛，可以有效克服现有技术存在的光催化降解速率慢，只对紫外光响应，太阳光利用率低，中间产物有毒、有害等弊端。采用本发明方法制备的Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料，不但具有较强的吸附性能和光催化性能、对太阳光有较好的响应，能有效治理室内空气污染物，而且性能稳定、价廉易得、无毒无害，是一种新型环保材料。
MCM-41是一种有序介孔材料，它的孔径呈单一分布，易于调节，可具备不同结构和不同形体，具有骨架结构稳定，比表面积大等优点。在MCM-41分子筛骨架形成和晶化过程中引入金属杂原子前驱体，通过水热合成或同晶取代的方法可将金属杂原子(如Ti、Mn、V、Cr、B、Zr、Cu等)嵌入分子筛骨架中，以提高催化活性。
目前TiO2的研究主要集中两方面：一是扩大其光响应范围，提高对可见光的利用率，其中离子掺杂是一种有效地改性方法；二是增强其化学吸附性能，提高光降解速率，最常用的方法就是负载固体。
本发明采用的技术方案：将MCM-41介孔分子筛与TiO2复合，同时掺杂Fe元素进行催化剂改性。首先，在实现TiO2固载的同时，分子筛的吸附性能对污染物分子起到富集作用，从而提高了光催化反应效率；其次，污染物大分子不断降解使得分子筛不会吸附饱和，从而达到一种良性互补的效果；最后，Fe离子的掺杂使得Fe2O3/Ti-MCM-41复合材料在太阳光下具备较强的光催化能力。
一种Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料的制备方法，其特征在于：以MCM-41有序介孔材料为载体，TiO2为催化剂，掺杂铁元素对TiO2进行改性，铁源为硫酸铁，所述的MCM-41有序介孔材料用水热法合成，并在骨架形成的过程中引入金属钛原子，钛源为钛酸四丁酯，硅源为硅胶，前驱液中各元素摩尔比为TiO2∶SiO2∶CTAB＝0.02∶1∶0.2，CTAB为十六烷基三甲基溴化铵，制备的具体步骤如下：
a.称取5g～8g 100目～200目的硅胶加入90ml 1.5mol/l的氢氧化钠溶液中，恒速剧烈搅拌30～35min；
b.量取60ml浓度质量分数10％的CTAB溶液加入到步骤a制备的混合液中，恒速剧烈搅拌30～35min；
c.量取0.5～0.8ml钛酸四丁酯加入到步骤b制备的混合液中，恒速剧烈搅拌1～2h；
d.称取12～15g硫酸铁加入到步骤c制备的混合液中，恒速剧烈搅拌2～3h；
e.用2mol/l的HCl调节溶液的pH至11.5，100℃下晶化反应45～48h；
f.将样品水洗至中性，鼓风干燥箱内100℃下干燥10～12h；
g.最后将干燥好的样品放入马弗炉中在300℃下焙烧6h，得到所述的Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料。
所述的一种Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料的制备方法，其特征在于：所述的Fe元素掺杂量的质量百分比为1％～10％。
本发明的优点和积极效果：MCM-41介孔分子筛具有许多显著的特点：孔结构均匀、规则，孔径在1.5～10nm之间，且可以通过选择合适的表面活性剂、辅助导向剂及反应参数来调控孔径；热稳定性高；BET表面积和孔体积极高，其比表面积达到1200m2/g，孔体积达到2.43cm3/g；可以通过水热合成或同晶取代的方法可将金属杂原子(如Ti、Mn、V、Cr、B、Zr、Cu等)嵌入MCM-41的分子筛骨架中，以提高催化活性。MCM-41本身就是一种有效的催化剂，同时又是良好的催化剂载体。将MCM-41介孔分子筛与TiO2复合，同时掺杂Fe元素进行催化剂改性。首先，在实现TiO2固载的同时，分子筛的吸附性能对污染物分子起到富集作用，从而提高了光催化反应效率；其次，污染物大分子不断降解使得分子筛不会吸附饱和，从而达到一种良性互补的效果；最后，Fe离子的掺杂使得Fe2O3/Ti-MCM-41复合材料在太阳光下具备较强的光催化能力。实验证明，当复合材料为1.5g，甲醛初始浓度为1ppm时，紫外光和太阳光下分别照射100min，去除率分别达到89％和70％；延长光照时间至3小时，去除率均可达到90％，并且材料可回收重复使用。所以本发明制备的Fe2O3/Ti-MCM-41分子筛复合材料既具有光催化性能，又具有良好的吸附性能，且对可见光有较好的响应，能够有效地治理室内空气污染物。本发明制备方法操作简单，能耗较少，成本低，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明制备方法工艺流程图。
具体实施方式
以下结合制备方法工艺流程图1对本发明加以详细说明。
实施例的植制备步骤如图1所示。
实施例一：
1.称取5g 100目的硅胶加入90ml 1.5mol/l的氢氧化钠溶液中，恒速剧烈搅拌30min；
2.量取60ml质量分数10％的CTAB溶液加入到步骤a制备的混合液中，恒速剧烈搅拌30min；
3.量取0.5ml钛酸四丁酯加入到步骤b制备的混合液中，恒速剧烈搅拌1h；
4.称取12g硫酸铁加入到步骤c制备的混合液中，恒速剧烈搅拌2h；
5.用2mol/l的HCl调节样品的pH至11.5，100℃下晶化反应48h；
6.将样品水洗至中性，鼓风干燥箱内100℃下干燥12h；
7.最后将干燥好的样品放入马弗炉中在300℃下焙烧6h，得到所述的Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料。
实施例二：
1.称取8g 100目的硅胶加入90ml 1.5mol/l的氢氧化钠溶液中，恒速剧烈搅拌35min；
2.量取60ml质量分数10％的CTAB溶液加入步骤a制备的混合液中，恒速剧烈搅拌35min；
3.量取0.6ml钛酸四丁酯加入到步骤b制备的混合液中，恒速剧烈搅拌1h；
4.称取15g硫酸铁加入到步骤c制备的混合液中，恒速剧烈搅拌2h；
5.用2mol/l的HCl调节样品的pH至11.5，100℃下晶化反应45h；
6.将样品水洗至中性，鼓风干燥箱内100℃下干燥10h；
7.最后将干燥好的样品放入马弗炉中在300℃下焙烧6h，得到所述的Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料。
实施例三：
1.称取5g 200目的硅胶加入90ml 1.5mol/l的氢氧化钠溶液中，恒速剧烈搅拌35min；
2.量取60ml质量分数10％的CTAB溶液加入步骤a制备的混合液中，恒速剧烈搅拌35min；
3.量取0.8ml钛酸四丁酯加入到步骤b制备的混合液中，恒速剧烈搅拌2h；
4.称取12g硫酸铁加入到步骤c制备的混合液中，恒速剧烈搅拌3h；
5.用2mol/l的HCl调节样品的pH至11.5，100℃下晶化反应48h；
6.将样品水洗至中性，鼓风干燥箱内100℃下干燥12h；
7.最后将干燥好的样品放入马弗炉中在300℃下焙烧6h，得到所述的Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料。
将上述合成的材料在紫外光和可见光下分别用于甲醛的去除研究，实验证明，当复合材料为1.5g，甲醛初始浓度为1ppm时，紫外光和太阳光下分别照射100min，三种材料在紫外光下的去除率分别为：86.5％、87％和89％；在可见光下的去除率分别为：69％、67.8％和70％；延长光照时间至3小时，去除率均可达到90％，并且材料可回收重复使用。

Claims (2)

1.一种Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料的制备方法，其特征在于：以MCM-41有序介孔材料为载体，TiO2为催化剂，掺杂铁元素对TiO2进行改性，铁源为硫酸铁，所述的MCM-41有序介孔材料用水热法合成，并在骨架形成的过程中引入金属钛原子，钛源为钛酸四丁酯，硅源为硅胶，前驱液中各元素摩尔比为TiO2∶SiO2∶CTAB＝0.02∶1∶0.2，CTAB为十六烷基三甲基溴化铵，制备的具体步骤如下：
a.称取5g～8g 100目～200目的硅胶加入90ml 1.5mol/l的氢氧化钠溶液中，恒速剧烈搅拌30～35min；
b.量取60ml浓度质量分数10％的CTAB溶液加入到步骤a制备的混合液中，恒速剧烈搅拌30～35min；
c.量取0.5～0.8ml钛酸四丁酯加入到步骤b制备的混合液中，恒速剧烈搅拌1～2h；
d.称取12～15g硫酸铁加入到步骤c制备的混合液中，恒速剧烈搅拌2～3h；
e.用2mol/l的HCl调节溶液的pH至11.5，100℃下晶化反应45～48h；
f.将样品水洗至中性，鼓风干燥箱内100℃下干燥10～12h；
g.最后将干燥好的样品放入马弗炉中在300℃下焙烧6h，得到所述的Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种Fe2O3/Ti-MCM-41介孔复合材料的制备方法，其特征在于：所述的Fe元素掺杂量的质量百分比为1％～10％。
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