CN103182807A - 光触媒铝材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种光触媒铝材及其制备方法,其中该光触媒铝材包括铝基质层(1)、在铝基质层(1)上的氧化铝层(2)、在氧化铝层(2)上的纳米级光触媒层(3)和在光触媒层(3)上的封孔层(4)或者由这些层组成,其中所述纳米级光触媒层(3)与所述封孔层(4)结合成一体。与现有技术相比,本申请的光触媒铝材能够防止光触媒活性的流失并意想不到地能够提供长期稳定的光触媒催化效果。
Description
技术领域
本申请涉及铝材及其制备方法,尤其涉及使用具有光催化反应的光触媒铝材及其制备方法。
背景技术
目前,为了增加铝制品的实用性和附加价值,在铝制品的表面通常会镀上一层具有抗菌、除臭、自洁、防霉等功能的光触媒(如二氧化钛(TiO2)、氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、氧化钨(WO3)、SeTiO3、镉硒(CdSe)、KTaO3、硫化镉(CdS)或氧化铌(Nb2O5))。而且,为了进一步提供一种具有附着力较强、催化活性较高的光触媒膜的铝制品。例如,中国专利申请(公开号CN101591745)公开了一种铝制品,其包括铝基板;形成于所述铝基板表面的具有多孔结构的一层氧化铝膜;及形成于所述氧化铝膜上的一层光触媒膜,而且该中国专利申请还了一种所述铝制品的制作方法,其通过在铝基板上首先形成一层具有多孔结构的氧化铝膜,再将光触媒膜镀覆在多孔结构上,控制溅镀时间,可以形成具有多孔结构的光触媒膜,其附着力较强,且由于比表面积增大,光触媒活性得到提高,从而增加了所述铝制品的实用性和附加价值。
然而,所述的中国专利申请仍然存在缺陷,因为所述光触媒膜在镀覆在氧化铝的多孔结构内后,所述光触媒膜不能牢固地固定在氧化铝的表层,由此导致光触媒活性的流失不能提供长期稳定的光触媒催化效果。
同样,这样的问题也在其它现有技术(例如中国实用新型专利号ZL200620112073.0和ZL200620109942.4)中存在。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题,本发明提供了一种光触媒铝材,该光触媒铝材包括铝基质层(1)、在铝基质层(1)上的氧化铝层(2)、在氧化铝层(2)上的纳米级光触媒层(3)和在光触媒层(3)上的封孔层(4)或者由这些层组成,其中所述纳米级光触媒层(3)与所述封孔层(4)结合成一体。
本发明也提供了制备上述光触媒铝材的方法,其中包括通过浸泡、电化学或光助电化学法将纳米级光触媒加入氧化铝的孔内,并且随后或同时进行封孔,使纳米级光触媒颗粒物理性地固定在氧化铝层。
可见,本发明的技术方案中使用了封孔层将光触媒颗粒物理性地固定在氧化铝层中,由此光触媒活性能够长期得到保留来提供长期稳定的光触媒催化效果。
此外,本领域现有技术已知,为了解决铝基质层的铝金属的化学腐蚀问题,可以在铝基质层上形成氧化铝层后再加封孔步骤形成封孔层。然而,虽然封孔层本身是已知的,但是本领域现有技术并不知道封孔层能够将光触媒颗粒物理性地固定在氧化铝层中,从而防止其在使用期间的流失所造成的问题。
事实上,现有技术一般都认为铝基质层的铝金属的化学腐蚀问题会由这些氧化铝的孔下的铝基质层的铝金属开始,在孔下,分开铝金属和空气只有一层很薄的氧化铝,所以进行氧化后会再加封孔步骤,封孔的步骤包括:热水浸泡、化学浸泡等;目的是把孔闭塞,使铝金属和空气隔开。封孔的理论是把氧化铝转化成氢氧化铝或其它铝化合物,当氧化铝有以上的改变时,氧化铝会膨胀,同时孔会被闭塞。
由此可见,在现有技术中封孔层的作用是把氧化铝的孔闭塞,使铝金属和空气隔开,而现有技术中完全没有提及可以使用封孔层将光触媒颗粒物理性地固定在氧化铝层中。
本发明是把纳米级的材料直接埋藏在氧化铝氧层的孔内并加以封孔。当封孔过程后,氧化铝膨胀并把纳米光触媒非常牢固地固定在氧化铝的表层。在本发明的一个实施方式中,所述封孔层包括来自纳米光触媒的纳米级二氧化钛,优选所述封孔层包括来自纳米光触媒的纳米级二氧化钛和氢氧化铝的混合物。
同时也可在加入光触媒前,阳极氧化后,用电化学方法或其它方法加入金属微粒在孔内。此方法可作染色作用;或可把光触媒的吸收波长改变;或可使光触媒的催化效果改变。
本发明涉及以下技术方案及其与本申请任何内容的组合:
1.一种光触媒铝材,其特征在于该光触媒铝材包括铝基质层(1)、在铝基质层(1)上的氧化铝层(2)、在氧化铝层(2)上的纳米级光触媒层(3)和在光触媒层(3)上的封孔层(4)或者由这些层组成,其中所述纳米级光触媒层(3)与所述封孔层(4)结合成一体。
2.根据上述技术方案所述的光触媒铝材,其特征在于所述光触媒铝材还包括在所述光触媒层与所述氧化铝层之间的金属染色层(5)或者由所述铝基质层(1)、所述氧化铝层(2)、所述纳米级光触媒层(3)、所述封孔层(4)和所述金属染色层(5)组成。
3.根据上述技术方案任一项所述的光触媒铝材,其特征在于氧化铝层的厚度为1μm至150μm。
4.根据上述技术方案任一项所述的光触媒铝材,其特征在于氧化铝层的厚度为25μm至95μm。
5.根据上述技术方案任一项所述的光触媒铝材,其特征在于氧化铝层的厚度为35μm至70μm。
6.根据上述技术方案任一项所述的光触媒铝材,其特征在于氧化铝的孔径为1nm至100nm。
7.根据上述技术方案任一项所述的光触媒铝材,其特征在于氧化铝的孔径为20nm至70nm。
8.根据上述技术方案任一项所述的光触媒铝材,其特征在于氧化铝的孔径为30nm至50nm。
9.根据上述技术方案任一项所述的光触媒铝材,其特征在于所述光触媒包括二氧化钛、氧化锡、氧化锌、氧化钨、SeTiO3、镉硒、KTaO3、硫化镉或氧化铌。
10.根据上述技术方案任一项所述的光触媒铝材,其特征在于所述光触媒的粒径小于氧化铝的孔径。
11.根据上述技术方案任一项所述的光触媒铝材,其特征在于所述光触媒的颗粒埋在氧化铝层的孔之内。
12.根据上述技术方案任一项所述的光触媒铝材,其特征在于在所述氧化铝层的孔中存在1-9颗所述光触媒的颗粒。
13.根据上述技术方案任一项所述的光触媒铝材,其特征在于在所述氧化铝层的孔中存在1-5颗所述光触媒的颗粒。
14.根据上述技术方案任一项所述的光触媒铝材,其特征在于在所述氧化铝层的孔中存在1-3颗所述光触媒的颗粒。
15.根据上述技术方案任一项所述的光触媒铝材,其特征在于在所述封孔层包括氢氧化铝。
16.根据上述技术方案任一项所述的光触媒铝材,其特征在于在所述封孔层包括纳米级二氧化钛和氢氧化铝。
17.一种制备上述技术方案任一项所述的光触媒铝材的方法,其中包括通过浸泡、电化学或光助电化学法将纳米级光触媒加入氧化铝的孔内,并且随后或同时进行封孔,使纳米级光触媒颗粒物理性地固定在氧化铝层。
18.根据上述技术方案任一项所述的方法,其中所述封孔的步骤是用热水浸泡、化学浸泡进行的。
19.根据上述技术方案任一项所述的方法,其中所述封孔的步骤包括使用封孔配方在任选加热下进行浸泡。
20.根据上述技术方案任一项所述的方法,其中所述封孔的步骤包括使用封孔配方进行浸泡,该封孔配方包含水和任选的纳米级二氧化钛粉末。
21.根据上述技术方案任一项所述的方法,其中还包括控制孔径的步骤。
22.根据上述技术方案任一项所述的方法,其中还包括控制孔径的步骤,该步骤包括控制电解液的成份,浓度,温度,电压,电流密度或添加剂。
23.根据上述技术方案任一项所述的方法,其中还包括以下步骤:在加入光触媒前,把金属微粒先放入氧化铝的孔的内部,使氧化铝着色。
24.根据上述技术方案任一项所述的方法,其中所述氧化铝是通过阳极氧化铝基质1、2、3、4或5次而得到的。
附图说明
图1:本发明光触媒铝材的结构剖视示意图(非按比例)。
图2:本发明另一种实施方式的结构剖视示意图(非按比例)。
具体实施方式
参见图1,本发明光触媒铝材包括铝基质层(1)、在铝基质层(1)上的氧化铝层(2)、在氧化铝层(2)上的纳米级光触媒层(3)和在光触媒层(3)上的封孔层(4)或者由这些层组成,其中所述纳米级光触媒层(3)与所述封孔层(4)结合成一体。此外,所述光触媒铝材还可以任选地包括在所述光触媒层与所述氧化铝层之间的金属染色层(5)或者由上述的这些层组成。
参见图2,本发明另一种实施方式的光触媒铝材包括铝基质层(1)、在铝基质层(1)上的氧化铝层(2)、在氧化铝层(2)上的纳米级光触媒层(3)和在光触媒层(3)上的封孔层(4),其中所述纳米级光触媒层(3)与所述封孔层(4)结合成一体(3+4)。在本发明的一个实施方式中,在所述氧化铝层的孔(2a)中可以存在1-9颗、优选1-5颗、更优选1-3颗所述光触媒的颗粒(3a)。此外,所述光触媒铝材还可以任选地包括在所述光触媒层与所述氧化铝层之间的金属染色层(5)。在本发明的一个实施方式中,在所述氧化铝层的孔中可以存在1-9颗、优选1-5颗、更优选1-3颗所述金属染色层(5)的金属颗粒(5a)。在本发明的一个实施方式中,所述光触媒的粒径小于氧化铝的孔径,由此可以让光触媒的颗粒埋在氧化铝层的孔之内。
铝金属的耐化学腐蚀性及硬度很低,一般会用阳极氧化把铝表面的氧化物加厚和加硬。但只做氧极氧化并不足够保护铝金属。由于在阳极氧化时会产生孔,氧化铝的孔径一般在100nm以下,优选为1nm至100nm,更优选为20nm至70nm或30nm至50nm,再详细地说明:氧化铝的孔径可以由几nm至几十nm。在本发明的一个实施方式中,控制孔径的方法包括控制电解液的成份(如硫酸),浓度(如1-3M、优选1.5-1.8M),温度(如2-50℃,优选5-27℃),电压(如5-120V,优选15-60V),电流密度(如0.8-7.5A/dm2,优选1.5-5.0A/dm2,优选2.5-3.5A/dm2),添加剂和/或其它方法。在本发明一种实施方式中,所述氧化时间可以是1-200分钟,优选28-120分钟,更优选35-90分钟,最优选50分钟。如要有足够的物理及化学性能,氧化层的厚度及密度都是关键。当增加阳极氧化时间,其它参数不改时,氧化层可加厚。在本发明一种实施方式中,所述氧化时间可以是1-200分钟,优选28-120分钟,更优选35-90分钟,最优选50分钟。如要增加氧化层的密度或硬度,一般做法都是降低温度。氧化铝的厚度可由1μm至150μm或以上,优选25μm至95μm,更优选35μm至70μm。在需要有足够的物理及化学保护能力的情况下,氧化铝的厚度为25μm以上。
本发明光触媒铝材的制备方式可以通过以下实施例进行说明:
基材预备:
先把铝板(A1050)用10%NaOH水溶液浸泡1分钟作除油及除氧化物,清水洗净,在1.5M H2SO4做阳极氧化,温度27℃,15V,50min,电流密度2.5A/dm2。得氧化层厚度约45μm,孔径约30-40nm。(基材一)
例1
单纯热水封孔液加入纳米二氧化钛。
用刚做氧化的基材一,清洗。封孔配方一:用1g Aeroxide TiO2P25加入1公升去离子水。Aeroxide TiO2 P25是平均21nm的二氧化钛粉末。把基材一浸泡在封孔配方一,温度90℃,2小时。样品1。
例2
电解纳米二氧化钛溶液。
用两片刚做氧化的基材一,清洗,放入常温(25℃)封孔配方一溶液内,用交流电作电解。电压30V,时间1分钟。清洗,放入去离子水作封孔。样品2。
例3
电解纳米二氧化钛光触媒溶液加紫外线照射。
和例子2一样,在电解二氧化钛溶液时,以紫外线照射这槽。发现电流较例2高。电压30V,时间1分钟。清洗,放入去离子水封孔。样品3。
例4
氧化液加入纳米二氧化钛。
在氧化液(1.5M H2SO4)加入0.01%纳米二氧化钛,温度27℃,15V,50min,电流密度2.5A/dm2。用去离子水作封孔。样品4。
例子5
氧化两次。
先作板基预备工作(除油),在1.5M H2SO4做阳极氧化,温度27℃,15V,10min,电流密度2.5A/dm2。得氧化层厚度约9μm,孔径约30-40nm。立即再进行第二次阳极氧化,1.8M H2SO4,电流密度2.5A/dm2(电压由最初20V慢慢升至60V),5℃,40min。氧化层共厚约34μm。清洗,用封孔配方一作封孔(或用其它例子方法作封孔)。样品5。
比较例子一
铝制品(已预先完成氧化及封孔),用清水清洗,浸泡纳米二氧化钛溶液,清洗,烘干。比较样品一。
测试方法
先把样品放入流动的小水槽用清水冲洗一天,模拟雨水冲洗。
测试方法1
光催化氧化异丙醇成二氧化碳,仪器:Extech CO2 meter CO250。把二氧化碳仪,2ml 75%异丙醇,和10X10cm样品一同放入60公升玻璃箱并封口,用紫外光照射并记录CO2之改变。
测试方法2
甲基橙去色法。把3滴甲基橙指示剂滴在样品上,自然流平及干燥,用铝板盖着一半指示剂,用紫外光照射一小时,观察颜色改变。
表一.测试结果。
结论
可以从以上的效果数据得知,当在光触媒层上存在与其结合成一体的封孔层的时候,与没有封孔层的现有技术相比,本发明的光触媒铝材能够防止光触媒活性的流失并意想不到地能够提供长期稳定的光触媒催化效果。
使用本发明制造之铝板材料,拥有光催化反应。对雨水之冲蚀有明显的优势,并可在户外环境使用。生产过程没有太大的污染,不像氟碳喷涂会产生大量污染气体。并可保证纳米粒子是单独而不是一大簇存在。亦可保证直径大的,光催化效率低光触媒粒子不会留在表面。
另外,本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化,可以理解的是,这些依据本发明精神所做的变化,都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种光触媒铝材,其特征在于该光触媒铝材包括铝基质层(1)、在铝基质层(1)上的氧化铝层(2)、在氧化铝层(2)上的纳米级光触媒层(3)和在光触媒层(3)上的封孔层(4)或者由这些层组成,其中所述纳米级光触媒层(3)与所述封孔层(4)结合成一体。
2.根据上述权利要求所述的光触媒铝材,其特征在于所述光触媒铝材还包括在所述光触媒层与所述氧化铝层之间的金属染色层(5)或者由所述铝基质层(1)、所述氧化铝层(2)、所述纳米级光触媒层(3)、所述封孔层(4)和所述金属染色层(5)组成。
3.根据上述权利要求任一项所述的光触媒铝材,其特征在于氧化铝层的厚度为1μm至150μm。
4.根据上述权利要求任一项所述的光触媒铝材,其特征在于氧化铝层的厚度为25μm至95μm。
5.根据上述权利要求任一项所述的光触媒铝材,其特征在于氧化铝层的厚度为35μm至70μm。
6.一种制备上述权利要求任一项所述的光触媒铝材的方法,其中包括通过浸泡、电化学或光助电化学法将纳米级光触媒加入氧化铝的孔内,并且随后或同时进行封孔,使纳米级光触媒颗粒物理性地固定在氧化铝层。
7.根据上述权利要求任一项所述的方法,其中所述封孔的步骤是用热水浸泡、化学浸泡进行的。
8.根据上述权利要求任一项所述的方法,其中所述封孔的步骤包括使用封孔配方在任选加热下进行浸泡。
9.根据上述权利要求任一项所述的方法,其中所述封孔的步骤包括使用封孔配方进行浸泡,该封孔配方包含水和任选的纳米级二氧化钛粉末。
10.根据上述权利要求任一项所述的方法,其中还包括控制孔径的步骤。
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