CN103028371A - 一种MCM-41@TiO2吸附-光催化纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种MCM-41@TiO2吸附-光催化纳米复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MCM-41TiO2吸附-光催化纳米复合材料及其制备方法，采用原位醇热技术在吸附剂上负载纳米TiO2，制备MCM-41TiO2吸附-光催化复合材料。通过控制TiCl4、叔丁醇、乙二醇和MCM-41的比例，可制备不同TiO2负载量的吸附-光催化复合材料。该复合材料在模拟污染物降解实验中，通过先吸附再降解的模式可在短时间内快速消除有机污染物。同时在有水存在时，可优先吸附有机物，并具有良好的使用寿命和再生能力。因此，本发明在室内空气污染治理方面具有良好的应用前景。

Description

一种MCM-41TiO2吸附-光催化纳米复合材料及其制备方法
技术领域
本发明一种吸附-光催化纳米复合材料及其制备方法，具体涉及一种MCM-41TiO2吸附-光催化纳米复合材料及其制备方法。属于环境材料领域。
背景技术
近年来环境污染问题日趋突出，已成为阻碍社会生产力发展和影响人民身体健康的重要原因，因而有效的利用现有技术开发新型实用的环保技术是21世纪影响人类生存和健康的战略性课题。在影响人类健康的环境污染中，室内空气污染因其不易被察觉而容易被人们忽视。事实上人们每天平均大约有80％以上的时间在室内度过，虽然室内污染物的浓度较低，但由于接触时间很长，故其累积接触量很高。导致室内空气污染的污染源较多，其中影响人体健康的主要污染物有：甲醛、苯、甲苯等挥发性有机污染物，它们是导致多种恶性病和慢性病发生的重要原因。目前，治理室内污染的方法有吸附法、臭氧氧化法、光催化法、高压负离子分解法等。吸附法是最常用的空气净化技术，其优点是安全、便利、价廉，能够快速去除污染物，缺点是存在二次污染。光催化技术能够彻底降解有机污染物，减少二次污染，其缺点是光催化剂比表面积小，量子效率低，难以实现对空气中的有机污染物的低浓度富集，因此光催化效率较低。
因此，针对当前室内空气净化中存在的问题，我们开发了一种含吸附剂和光催化剂的复合材料，即MCM-41TiO2吸附-光催化纳米复合材料。利用吸附剂快速吸附有机污染物，而光催化剂在自然光照射下矿化所吸附的有机污染物，消除二次污染，并使吸附剂保持高效工作。
发明内容
本发明目的是提出一种MCM-41TiO2吸附-光催化纳米复合材料及其制备方法，以该方法制备的MCM-41短孔道纳米小球吸附剂材料能利用其高比表面积快速吸附有机污染物，同时光催化剂在自然光照射下矿化所吸附的有机污染物，消除二次污染，并使吸附剂保持高效工作。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种MCM-41TiO2吸附-光催化纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：1）在40℃水浴条件下，将一定量的吸附剂MCM-41短孔道纳米小球加入到叔丁醇溶液中，搅拌1~2小时；2）再加入一定量的乙二醇，搅拌30~60分钟；3）将一定量的TiCl4滴加到步骤2）的溶液中，搅拌4~5小时；4）然后将混合液转移到不锈钢釜中，在150~160℃条件下处理2~3天，样品取出后离心、洗涤、80~100℃烘干后即得到MCM-41TiO2吸附-光催化纳米复合材料，所得样品再进行后续焙烧。
步骤3）中，TiCl4在混合溶液中的体积百分数为1:40~1:400。
所述的叔丁醇和乙二醇的体积比为1:3~3:1。实验中将叔丁醇替换为其他醇（甲醇、乙醇、苯甲醇）则无法得到所需样品。只加叔丁醇或只加乙二醇也无法获得所需样品。
步骤1）中，所述的吸附剂MCM-41短孔道纳米小球与溶液的质量体积比为1:20~1:800。
根据上述方法制得的MCM-41TiO2吸附-光催化纳米复合材料，TiO2以小于20nm颗粒的形式负载于吸附剂MCM-41的表面，TiO2为锐钛矿的晶相结构，复合材料的比表面积在200~1000m2/g。
本发明采用原位醇热技术在吸附剂(MCM-41短孔道纳米小球)上负载纳米TiO2，制备MCM-41TiO2吸附-光催化复合材料。通过控制TiCl4、叔丁醇、乙二醇和MCM-41的比例，可制备不同TiO2负载量的吸附-光催化复合材料。该复合材料在模拟污染物降解实验中，通过先吸附再降解的模式可在短时间内快速消除有机污染物。同时在有水存在时，可优先吸附有机物，并具有良好的使用寿命和再生能力。因此，本发明在室内空气污染治理方面具有良好的应用前景。
附图说明
图1为MCM-41TiO2-3样品的扫描电镜图。
图2为MCM-41TiO2-3样品的透射电镜图。
图3为MCM-41TiO2-3样品的XRD图。
图4为不同TiO2负载量MCM-41TiO2样品的模拟污染物去除实验图。
图5MCM-41TiO2-3样品循环使用实验图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图进一步阐述本发明的技术特点。
实施例1
在40℃水浴条件下，将0.8g MCM-41短孔道纳米小球加入到60mL叔丁醇溶液中，搅拌2小时；再加入20mL乙二醇，搅拌60分钟；最后将0.28mL TiCl4滴加到上述溶液中，搅拌4小时；然后将混合液转移到不锈钢釜中，在160℃条件下处理2天，样品取出后离心、洗涤、80℃烘干，所得样品经700℃，4小时焙烧。标记为MCM-41TiO2-1
实施例2
在40℃水浴条件下，将0.6g MCM-41短孔道纳米小球加入到60mL叔丁醇溶液中，搅拌2小时；再加入20mL乙二醇，搅拌60分钟；最后将0.28mL TiCl4滴加到上述溶液中，搅拌4小时；然后将混合液转移到不锈钢釜中，在160℃条件下处理2天，样品取出后离心、洗涤、80℃烘干，所得样品经700℃，4小时焙烧。标记为MCM-41TiO2-2
实施例3
在40℃水浴条件下，将0.4g MCM-41短孔道纳米小球加入到60mL叔丁醇溶液中，搅拌2小时；再加入20mL乙二醇，搅拌60分钟；最后将0.28mL TiCl4滴加到上述溶液中，搅拌4小时；然后将混合液转移到不锈钢釜中，在160℃条件下处理2天，样品取出后离心、洗涤、80℃烘干，所得样品经700℃，4小时焙烧。标记为MCM-41TiO2-3
实施例4
在40℃水浴条件下，将0.2g MCM-41短孔道纳米小球加入到60mL叔丁醇溶液中，搅拌2小时；再加入20mL乙二醇，搅拌60分钟；最后将0.28mL TiCl4滴加到上述溶液中，搅拌4小时；然后将混合液转移到不锈钢釜中，在160℃条件下处理2天，样品取出后离心、洗涤、80℃烘干，所得样品经700℃，4小时焙烧。标记为MCM-41TiO2-4
实施例5
在40℃水浴条件下，将0.1g MCM-41短孔道纳米小球加入到60mL叔丁醇溶液中，搅拌2小时；再加入20mL乙二醇，搅拌60分钟；最后将0.28mL TiCl4滴加到上述溶液中，搅拌4小时；然后将混合液转移到不锈钢釜中，在160℃条件下处理2天，样品取出后离心、洗涤、80℃烘干，所得样品经700℃，4小时焙烧。标记为MCM-41TiO2-5
实施例6
在40℃水浴条件下，将0.4g MCM-41短孔道纳米小球加入到60mL叔丁醇溶液中，搅拌2小时；再加入20mL乙二醇，搅拌60分钟；最后将0.28mL TiCl4滴加到上述溶液中，搅拌4小时；然后将混合液转移到不锈钢釜中，在160℃条件下处理2天，样品取出后离心、洗涤、80℃烘干。标记为MCM-41TiO2-6
实施例7
在40℃水浴条件下，将0.4g MCM-41短孔道纳米小球加入到60mL叔丁醇溶液中，搅拌2小时；再加入20mL乙二醇，搅拌60分钟；最后将0.28mL TiCl4滴加到上述溶液中，搅拌4小时；然后将混合液转移到不锈钢釜中，在160℃条件下处理2天，样品取出后离心、洗涤、80℃烘干，所得样品经400℃，4小时焙烧。标记为MCM-41TiO2-7
实施例8
在40℃水浴条件下，将0.4g MCM-41短孔道纳米小球加入到60mL叔丁醇溶液中，搅拌2小时；再加入20mL乙二醇，搅拌60分钟；最后将0.28mL TiCl4滴加到上述溶液中，搅拌4小时；然后将混合液转移到不锈钢釜中，在160℃条件下处理2天，样品取出后离心、洗涤、80℃烘干，所得样品经500℃，4小时焙烧。标记为MCM-41TiO2-8
实施例9
在40℃水浴条件下，将0.4g MCM-41短孔道纳米小球加入到60mL叔丁醇溶液中，搅拌2小时；再加入20mL乙二醇，搅拌60分钟；最后将0.28mL TiCl4滴加到上述溶液中，搅拌4小时；然后将混合液转移到不锈钢釜中，在160℃条件下处理2天，样品取出后离心、洗涤、80℃烘干，所得样品经600℃，4小时焙烧。标记为MCM-41TiO2-8
实施例10
在40℃水浴条件下，将0.4g MCM-41短孔道纳米小球加入到60mL叔丁醇溶液中，搅拌2小时；再加入20mL乙二醇，搅拌60分钟；最后将0.28mL TiCl4滴加到上述溶液中，搅拌4小时；然后将混合液转移到不锈钢釜中，在160℃条件下处理2天，样品取出后离心、洗涤、80℃烘干，所得样品经800℃，4小时焙烧。标记为MCM-41TiO2-10
由图1可见样品中TiO2以纳米粒子的形貌负载于MCM-41短孔道纳米小球的表面。TiO2颗粒的粒径约为10~15nm。
由图2可见样品中MCM-41负载TiO2纳米颗粒后仍然保持者有序的孔道结构，TiO2纳米颗粒负载于MCM-41表面。TiO2颗粒的粒径在20nm左右。
由图3可见样品中TiO2以锐钛矿相存在，且未发现其他相。
模拟污染物降解实验：
在本实验过程中，称取吸附光催化剂50mg，使用520±10ppm甲苯作为模拟气体。先进行暗光吸附2.0小时，每0.5小时采集一次气体样品，用气相色谱进行含量分析。达到吸附平衡后，打开氙灯光源，进行光催化降解过程，每1.0小时采集气体一次进行含量分析。
图4为不同TiO2负载量MCM-41TiO2样品的模拟污染物去除实验图。图中的前2.0小时为暗吸附过程，2.0小时以后为光催化降解过程。从图中可以看出，MCM-41TiO2-3同时具有高效的吸附和持续降解性能。经过进一步的光催化降解可使甲苯的去除率接近65%。
由图5可见，样品在经过9次循环实验后仍然保持较好的吸附能力和光催化能力，在1.0小时内对甲醛的去除率达到近30%，经光催化处理4.0小时后对甲苯的总去除率超过65%。
上述实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种MCM-41TiO2吸附-光催化纳米复合材料，其特征在于：TiO2以小于20nm颗粒的形式负载于吸附剂MCM-41的表面，TiO2为锐钛矿的晶相结构，复合材料的比表面积在200~1000m2/g。
2.一种制备权利要求1所述MCM-41TiO2吸附-光催化纳米复合材料的方法，其特征在于：其步骤如下：1）在40℃水浴条件下，将一定量的吸附剂MCM-41短孔道纳米小球加入到叔丁醇溶液中，搅拌1~2小时；2）再加入一定量的乙二醇，搅拌30~60分钟；3）将一定量的TiCl4滴加到步骤2）的溶液中，搅拌4~5小时；4）然后将混合液转移到不锈钢釜中，在150~160℃条件下处理2~3天，样品取出后离心、洗涤、80~100℃烘干后即得到MCM-41TiO2吸附-光催化纳米复合材料。
3.根据权利要求2所述的MCM-41TiO2吸附-光催化纳米复合材料的制备方法，其特征在于：步骤3）中，TiCl4在混合溶液中的体积百分数为1:40~1:400。
4.根据权利要求2所述的MCM-41TiO2吸附-光催化纳米复合材料的制备方法，其特征在于：所述的叔丁醇和乙二醇的体积比为1:3~3:1。
5.根据权利要求2所述的MCM-41TiO2吸附-光催化纳米复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述的吸附剂MCM-41短孔道纳米小球与溶液的质量体积比为1:20~1:800。
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