CN102658115B - 用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂及其制备方法。所述的制备方法为:对纳米二氧化钛进行掺杂硝酸铈,得到掺铈的纳米二氧化钛悬浊液,取适量活性炭纤维置于上述悬浊液中,于超声条件下浸泡20~60min,取出,晾干后置于200~220℃条件下保温2~4h,即得。与现有技术相比,本发明所述方法通过对纳米二氧化钛掺杂稀土铈,从而延长光生电子-空穴对的寿命,提高纳米二氧化钛的量子效应,进而达到提高纳米二氧化钛的光催化活性的目的;整个方法简单易控,由该方法得到的产品对挥发性有机污染物尤其是甲醛气体的降解效率高,可达90%以上。

Description

用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种光催化材料,具体涉及一种用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂及其制备方法。
背景技术
[0002] 室内挥发性有机化合物(VOCs)浓度不高,但当人体长时间处于这种环境下时,会危害人体健康。目前净化挥发性有机化合物的方法常用有两种:一种是吸附法,它是利用有吸附能力的多孔物质将污染物从气相中转移至吸附剂上,但该法不能将污染物降解,且吸附剂吸附饱和后必须进行再生处理才能继续使用;另一种是光催化净化法,它是利用光催化剂在紫外线照射下生成的空穴具有的氧化分解能力,在室温下可将有机污染物氧化为CO2和H2O等无机物,反应条件温和。
[0003] 纳米二氧化钛是光催化剂产品,其受光时生成化学活泼性很强的超氧自由基和氢氧自由基,攻击有机物,达到降解有机污染物的作用。在治理室内空气污染时,气态污染物种类繁多,单一污染物的浓度一般都较低,由于纳米二氧化钛光催化剂在光催化降解时与有机污染物的碰撞频率比较低,导致光催化降解速率较慢,同时纳米二氧化钛的禁带较宽(约为3.2eV),电子和空穴容易复合,因而催化效率较低。综合吸附法和光催化净化法的优势,目前已出现有通过在活性炭纤维上负载纳米二氧化钛的用于净化挥发性有机化合物的产品,如公开号为CN1702202的发明专利,公开了一种含纳米二氧化钛微粒的活性炭纤维及其制备方法和用途,该活性炭纤维是由活性炭纤维材料负载上纳米二氧化钛微粒而成,其中纳米二氧化钛微粒占总质量的5〜25% ;该活性炭纤维是采用溶胶一凝胶法,先将TiO2的前驱体有机钛化合物经水解生成TiO2溶胶,并沉积于活性炭纤维上,溶胶经干燥成为凝胶,再经热处理转化为纳米TiO2微粒复合在活性炭纤维的表面,制得含纳米二氧化钛微粒的活性炭纤维。该发明所述的活性炭纤维既保持了活性炭纤维的多孔性,也增强了二氧化钛微粒光催化活性,可用于低浓度挥发性有机污染物的去除,但其低浓度挥发性有机污染物的光催化分解率较低,在36%左右。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂及其制备方法。采用本发明所述方法制得的复合光催化剂对挥发性有机污染物的降解效率可达90%以上。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
[0006] 用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂的制备方法,它是先对纳米二氧化钛进行掺杂硝酸铈,得到掺铈的纳米二氧化钛悬浊液;然后取适量活性炭纤维置于上述悬浊液中,于超声条件下浸泡20〜60min,取出,晾干后置于200〜220°C条件下保温2〜4h,即得。通过对纳米二氧化钛掺杂稀土铈,可以延长光生电子-空穴对的寿命,从而提高纳米二氧化钛的量子效应,进而达到提高纳米二氧化钛的光催化活性的目的。
[0007] 上述用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂更为具体的制备方法为:按100:8.3~12.5:3~11的质量比称取纳米二氧化钛、硅酸钠和硝酸铈,将纳米二氧化钛和硅酸钠置于容器中,加水,搅拌使纳米二氧化钛均匀的分散于溶液中,形成悬浊液,所述水的加入量为使溶液中纳米二氧化钛的浓度为10~40g/L ;再加入硝酸铈,搅拌均匀,得到掺铈的纳米二氧化钛悬浊液;取适量活性炭纤维置于上述掺铈的纳米二氧化钛悬浊液中,于超声条件下浸泡20~60min,取出,晾干后置于200~220°C条件下保温2~4h,即得。
[0008] 上述制备方法中,
[0009] 所述纳米二氧化钛、硅酸钠和硝酸铈的质量比优选为100:10~12:5~10。
[0010] 水的加入量优选为使溶液中纳米二氧化钛的浓度为20~30g/L。
[0011] 所述活性炭纤维置于掺铈的纳米二氧化钛悬浊液中浸泡的时间优选为30~40mino
[0012] 所述的晾干通常是在常温条件下自然干燥。
[0013] 本发明所述方法中,所述的纳米二氧化钛可以是所有适用于光催化技术领域的纳米二氧化钛,最为优选的是纳米二氧化钛P25。
[0014] 本发明所述方法中,在加水形成悬浊液过程中的搅拌,如果采用磁力搅拌,搅拌的时间通常为20~60min。加入硝酸铺后的搅拌同样需使硝酸铺均匀的分散于溶液中,采用磁力搅拌时搅拌的时间通常为1.5~3h。
[0015] 本发明所述方法中,活性炭纤维和掺铈的纳米二氧化钛悬浊液的用量比可根据需要确定,但需保证加入的活性炭纤维全部浸没于掺铈的纳米二氧化钛悬浊液中。通常,IOOmL的掺铈的纳米二氧化钛悬浊液中,活性炭纤维的加入量为0.050~0.060g较合适。
[0016] 本发明还包括由上述方法制得的用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂。
[0017] 与现有技术相比,本发明所述方法通过对纳米二氧化钛掺杂稀土铈,从而延长光生电子_空穴对的寿命,提闻纳米二氧化钦的量子效应,进而达到提闻纳米二氧化钦的光催化活性的目的;整个方法简单易控,由该方法得到的产品对挥发性有机污染物尤其是甲醛气体的降解效率高,可达90%以上。
具体实施方式
[0018] 下面以实施例对本发明作进一步说明,但本发明并不局限于这些实施例。
[0019] 实施例1
[0020] I)称取1.0Og的纳米二氧化钛P25粉末、0.1Og的Na2SiO3和0.03g硝酸铈(它们的质量比为100:10:3),备用;
[0021] 2)将称取的纳米二氧化钛P25粉末和Na2SiO3置于容器中,加入IOOmL蒸馏水(纳米二氧化钛P25的浓度为10g/L),磁力搅拌30min,然后加入称取的硝酸铈,磁力搅拌2h,得到掺杂硝酸铈的纳米二氧化钛悬浊液;
[0022] 3)取0.050g活性碳纤维置于上述掺杂硝酸铈的纳米二氧化钛悬浊液中,超声波条件下浸泡30min,取出,室温条件下晾干后再置于200°C条件下保温3h,取出,冷却,得到本发明所述的用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂。
[0023] 将上述制得的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂置于石英管(内径26mm、长250mm)中,在石英管的上下两方分别放置I支激发光主波长为254nm的8W紫外灯。室温条件下,将含甲醛浓度为2mg/m3的气体从石英管中通过,气体流量为0.5L/min,在紫外灯照射下,出口甲醛浓度为0.19mg/m3,甲醛降解效率达90.5%。
[0024] 实施例2
[0025] I)称取1.80g的纳米二氧化钛粉末(锐钛矿型)、0.20g的Na2SiO3和0.09g硝酸铈(它们的质量比为100:11.1:5),备用;
[0026] 2)将称取的纳米二氧化钛粉末和Na2SiO3置于容器中,加入IOOmL蒸馏水(纳米二氧化钛的浓度为18g/L),磁力搅拌20min,然后加入称取的硝酸铈,磁力搅拌1.5h,得到掺杂硝酸铈的纳米二氧化钛悬浊液;
[0027] 3)取0.050g活性碳纤维置于上述掺杂硝酸铈的纳米二氧化钛悬浊液中,超声波条件下浸泡40min,取出,室温条件下晾干后再置于220°C条件下保温4h,取出,冷却,得到本发明所述的用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂。
[0028] 将上述制得的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂置于石英管(内径26mm、长250mm)中,在石英管的上下两方分别放置I支激发光主波长为254nm的8W紫外灯。室温条件下,将含甲醛浓度为2mg/m3的气体从石英管中通过,气体流量为0.5L/min,在紫外灯照射下,出口甲醛浓度为0.152mg/m3,甲醛降解效率达92.4%。
[0029] 实施例3
[0030] I)称取2.40g的纳米二氧化钛P25粉末、0.20g的Na2SiO3和0.24g硝酸铈(它们的质量比为100:8.3:10),备用;
[0031] 2)将称取的纳米二氧化钛P25粉末和Na2SiO3置于容器中,加入IOOmL蒸馏水(纳米二氧化钛P25的浓度为24g/L),磁力搅拌50min,然后加入称取的硝酸铈,磁力搅拌3h,得到掺杂硝酸铈的纳米二氧化钛悬浊液;
[0032] 3)取0.060g活性碳纤维置于上述掺杂硝酸铈的纳米二氧化钛悬浊液中,超声波条件下浸泡60min,取出,室温条件下晾干后再置于210°C条件下保温2h,取出,冷却,得到本发明所述的用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂。
[0033] 将上述制得的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂置于石英管(内径26mm、长250mm)中,在石英管的上下两方分别放置I支激发光主波长为254nm的8W紫外灯。室温条件下,将含甲醛浓度为lmg/m3的气体从石英管中通过,气体流量为0.5L/min,在紫外灯照射下,出口甲醛浓度为0.049mg/m3,甲醛降解效率达95.1%。
[0034] 实施例4
[0035] I)称取4.0Og的纳米二氧化钛P25粉末、0.40g的Na2SiO3和0.28g硝酸铈(它们的质量比为100:10:7),备用;
[0036] 2)将称取的纳米二氧化钛P25粉末和Na2SiO3置于容器中,加入IOOmL蒸馏水(纳米二氧化钛P25的浓度为40g/L),磁力搅拌60min,然后加入称取的硝酸铈,磁力搅拌2h,得到掺杂硝酸铈的纳米二氧化钛悬浊液;
[0037] 3)取0.060g活性碳纤维置于上述掺杂硝酸铈的纳米二氧化钛悬浊液中,超声波条件下浸泡20min,取出,室温条件下晾干后再置于200°C条件下保温3h,取出,冷却,得到本发明所述的用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂。
[0038] 将上述制得的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂置于石英管(内径26mm、长250mm)中,在石英管的上下两方分别放置I支激发光主波长为254nm的8W紫外灯。室温条件下,将含甲醛浓度为lmg/m3的气体从石英管中通过,气体流量为0.5L/min,在紫外灯照射下,出口甲醛浓度为0.055mg/m3,甲醛降解效率达94.5%。

Claims (6)

1.用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂的制备方法,其特征在于:按100:8.3〜12.5:3〜11的质量比称取纳米二氧化钛、硅酸钠和硝酸铈,将纳米二氧化钛和硅酸钠置于容器中,加水,搅拌使纳米二氧化钛均匀的分散于溶液中,形成悬浊液,所述水的加入量为使溶液中纳米二氧化钛的浓度为10〜40g/L ;再加入硝酸铈,搅拌均匀,得到掺铈的纳米二氧化钛悬浊液;取适量活性炭纤维置于上述掺铈的纳米二氧化钛悬浊液中,于超声条件下浸泡20〜60min,取出,晾干后置于200〜220°C条件下保温2〜4h,即得。
2.根据权利要求1所述的用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂的制备方法,其特征在于:所述纳米二氧化钛、硅酸钠和硝酸铈的质量比为100:10〜12:5 〜10。
3.根据权利要求1所述的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂的制备方法,其特征在于:水的加入量为使溶液中纳米二氧化钛的浓度为20〜30g/L。
4.根据权利要求1所述的用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂的制备方法,其特征在于:所述活性炭纤维置于掺铈的纳米二氧化钛悬浊液中浸泡的时间为30〜40min。
5.根据权利要求1〜4中任一项所述的用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂的制备方法,其特征在于:所述的纳米二氧化钛为纳米二氧化钛P25。
6.权利要求1〜5中任一项所述方法制得的用于空气净化的掺铈纳米二氧化钛/活性炭纤维复合光催化剂。
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