CN103223334A - 以乙腈为纳米TiO2分散介质的TiO2/AC光催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种以乙腈为纳米TiO2分散介质的TiO2/AC光催化剂及其制备方法，先将活性炭干燥，以无水乙腈为分散介质将纳米TiO2经超声分散在乙腈中，再在乙腈中经超声波将纳米TiO2负载到活性炭表面，再将负载了TiO2的活性炭在氮气保护下热处理。本发明与已有用水或乙醇等为分散介质的TiO2/AC光催化剂相比，增强了催化活性，工艺简单，易操作实施，而且还可回收利用，对保护环境、节约资源等均有较好的效果，值得推广应用。

Description

以乙腈为纳米TiO2分散介质的TiO2/AC光催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种应用于光催化剂中的纳米二氧化钛在活性炭表面的负载技术。 
背景技术
以光、电等方法催化降解去除有毒有害物质是典型的污染物低碳处理方法，纳米TiO2利用光照催化降解有毒有害物质，具有性质稳定、无毒、对有机物的降解可彻底矿化，无二次污染等优点，是目前公认的最佳光催化剂。但由于纳米TiO2颗粒大小，在应用中回收困难，因此需要载体负载，其中，以活性炭（AC）负载（构成TiO2/AC催化剂体系）较佳，既可以回收，又具备催化协同效应，并且活性炭具有种类丰富，价廉易得、表面性质可根据实际需要进行调控等优点。 
目前，制备TiO2/AC催化剂的方法有多种：如1）纳米TiO2与炭直接复合（直接复合法）；2）TiO2的前驱体先与炭复合后，再热处理使前驱体转变为TiO2；3）炭的前驱体与TiO2复合，再热处理使前驱体转变为炭；4）TiO2的前驱体与炭的前驱体复合，再一起炭化活化等[（1）黄正宏，许德平，康飞宇，郝吉明。“炭与TiO2 光催化剂的复合及协同作用研究进展”《新型炭材料》2004, 19(3): 229- 236；（2）许德平，黄正宏，王永刚，康飞宇，“活性炭纤维布担载纳米TiO2 的三种方法”，《炭素技术》，2004, 23（5）：12-16]；其中，以纳米TiO2 与炭直接复合方法最为简便，具有不改变活性炭表面与纳米TiO2性质、不需要高温处理等特点，在污染处理尤其是空气净化方面有重要应用。但是，由于使用水介质制备催化剂，直接复合法目前存在的主要缺点是催化剂活性有待进一步提高。在提高TiO2/AC催化剂活性方面，有学术文献研究提及：目前的主要方法是TiO2的掺杂、催化剂载体选择和TiO2晶型控制等[（1）甘礼华, 刘明贤, 张霄英, 陈龙武。“掺铁TiO2-活性炭复合材料的制备及其光催化活性”。《同济大学学报》（自然科学版）, 2009, 36(4): 538 -542；（2）黄正宏, 许德平, 康飞宇等。“炭与TiO2 光催化剂的复合及协同作用研究进展”。《新型炭材料》, 2004, 19(3): 229-236；（3）崔玉民“影响纳米材料TiO2光催化活性的因素”，《稀有金属》, 2006, 30(1): 107-113]。近年来，为提高TiO2/AC光催化活性，人们已从不同途径，在选择掺杂金属和非金属材料方面作了很多的研究探索，相关专利已有报道，如：“一种氮掺杂锐钛矿型纳米二氧化钛的制备方法”（申请号：200510011665.3）；“高效二氧化钛光催化剂制备方法”（申请号：200410081226.5）等，它们均为金属或非金属离子掺杂的TiO2催光剂，在禁带宽度内形成掺杂能级，一定程度上扩展了TiO2的光响应范围，导致可见光能力增强，但是紫外-可见光催化效率仍然不高，且制备方法复杂、设备要求高和不易操作；“高效二氧化钛复合光催化剂及其制备方法”（申请号：201110352746.5）提供一种石墨炔与纳米TiO2的复合方法：将石墨炔加入到水和乙醇混合溶剂中超声分散，然后将二氧化钛纳米粒子加入到上述溶液中，超声分散后再搅拌，得到均匀的悬浊液；将所得悬浊液装入到反应釜中，水热反应后过滤所得的产物，用去离子水洗涤多次后，在室温下干燥。该方法虽然提高了对光催化效果，但其工艺仍采用水和乙醇混合溶剂，效果仍不及不用水和乙醇的，并且工艺仍较复杂。 
发明内容
本发明的目的是提供一种以无水乙腈为纳米二氧化钛分散介质的TiO2/AC光复合催化剂及其工艺简单，易操作的而且可回收使用的制备方法。 
本发明的技术方案是： 
先将活性炭干燥后，在干燥器中备用，以无水乙腈为分散介质将纳米TiO2经超声分散在乙腈中，再在乙腈中经超声处理将纳米TiO2负载到活性炭表面，再将负载了TiO2的活性炭在氮气保护下热处理。具体技术参数为：活性炭的粒状为80-120目，在130℃下干燥2.5-3.5小时，按1-8%的负载量将30-42mg的纳米TiO2（P-25）经使用频率在40-100Hz之间的超声波处理18-22分钟，使纳米TiO2先分散在18-22ml无水乙腈中，然启加入前述的活性炭0.9-1.1g，再用频率为80-110Hz之间的超声波处理20-40分钟，将纳米TiO2负载到活性炭表面，抽滤后制得TiO2/AC复合光催化剂，最后将催化剂在氮气保护下，在240-260℃温度下热处理28-32分钟，即得高效的乙腈为分散介质的TiO2/AC复合光催化剂。
本发明由于选用了常用的分散能力强的有机分散介质乙腈，比已有的用水为分散介质制成的TiO2/AC光催化剂活性更高，在氮气保护下热处理以后，活性得到进一步提高；本发明工艺过程简单，易操作，而且产品可回收再利用，节约了资源、能源、保护了环境。 
具体实施方式
实施例一： 
市售粒状80-120目活性炭在130℃下干燥3小时，按4.0%的负载量将40mg的P-25经超声先分散在20ml乙腈中，然后加入前述活性炭1.0g，用频率为100Hz的超声波处理20分钟使纳米TiO2负载到活性炭表面，抽滤后即制得TiO2/AC催化剂，再将催化剂在氮气保护下在250℃处理30分钟即可。
本光催化剂的活性测定：催化剂0.15g，以浓度为1.0×10-5g/ml的甲基橙水溶液为降解物，先加入100ml的甲基橙水溶液使催化剂吸附饱和之后，再加入20.0ml的相同浓度的甲基橙溶液，放置在40W紫外灯下（10cm处）照射以降解甲基橙，然后测定甲基橙溶液的降解率，为与水中负载的催化剂对比，按相同的负载过程，先将P-25分散在20ml水中制备TiO2/AC并进行催化活性测试，两种催化剂均光降解100分钟后，降解率结果如下： 
负载介质            水              乙腈
降解率%             55.4            72.3
甲基橙的降解率=(催化前甲基橙的浓度-催化后甲基橙的浓度/催化前甲基橙的浓度)×100%
实施例二：
活性炭干燥与否的影响
取未干燥活性炭按例1过程在乙腈中制得TiO2/AC（未干燥），按例1过程与烘干活性炭制得的TiO2/AC（干燥）对比活性，两催化剂均光降解100分钟后，降解率结果如下：
活性炭            烘干              未烘干
降解率%           72.6              68.1
实施例三：
催化剂热处理温度的影响
取活性炭4份，按例1过程在乙腈中超声制光催化剂后，氮气保护热处理分别在100、250、350和600℃分别处理30分钟，按例1过程测定光催化剂对甲基橙的降解率，结果如下：
处理温度，℃       100       250     350       600
降解率性，%        67.9      72.1    69.3      65.8
实施例四：
催化剂热处理时间的影响
取活性炭3份，按例1过程在乙腈中超声制得光催化剂后，氮气保护250℃下分别热处理15、30和50分钟，按例1测定光催化剂对甲基橙的降解率，结果如下：
处理时间，分钟     15       30        50
降解率性，%        70.4     71.7      70.8
实施例五：
负载介质对催化剂活性的影响
按例1过程分别在水、乙醇、二甲苯、二氧六环、二氯甲烷、冰乙酸、丙酮和乙腈中制备光催化剂并测定光催化剂对甲基橙的降解率，结果如下：
介质     水    乙醇 二甲苯 二氧六环 二氯甲烷  冰乙酸  丙酮   乙腈
降解率,% 52.2  59.8 50.9   62.4     58.5      58.1    64.9   70.6
实施例六：
超声波所用频率对催化剂活性的影响
取活性炭3份，按例1过程分别用频率为40、60和100Hz的超声波在乙腈中制备光催化剂并测定光催化剂对甲基橙的降解率，结果如下：
超声波频率，Hz       40                  60             100
降解率性，%          55.5                63.4           72.5
实施例七：
超声波时间对催化剂活性的影响
取活性炭3份，按例1过程分别用频率为100Hz的超声波在乙腈中超声处理15、20和40分钟制备光催化剂并测定光催化剂对甲基橙的降解率，结果如下：
超声处理时间，分钟        15              20              40
降解率性，%               54.4            74.1            60.3
实施例八：
纳米TiO2负载量对催化剂活性的影响
取活性炭3份，分别按1.0%、4.0%和8.0%的负载量称取纳米TiO2，按例1过程分别用100Hz的超声波在乙腈中制备光催化剂并测定光催化剂对甲基橙的降解率，结果如下：
负载量，%                 1.0             4.0             8.0
降解率性，%               66.5            73.9            74.3
实施例九：
乙腈中加入不同量水对催化剂活性的影响
取3份乙腈，分别按10.0 、25.0和75%的体积比加入水，然后加入纳米TiO2超声分散，再分别按4%的负载量加入活性炭，按例1过程分别用100Hz的超声波制备光催化剂并测定光催化剂对甲基橙的降解率，结果如下：
加入量，%             10.0                50.0              75.0
降解率性，%           65.7                56.2              53.5
实施例十：
乙腈中加入不同量甲醇对催化剂活性的影响
取3份乙腈，分别按10.0 、50.0和75.0%的体积比加入甲醇，然后加入纳米TiO2超声分散5分钟，再分别按4%的负载量取例3所用的活性炭加入，按例1过程分别用100Hz的超声波制备光催化剂并测定光催化剂对甲基橙的降解率，结果如下：
加入量，%             10.0              50.0                 75.0
降解率性，%           68.3              65.2                 62.5

Claims (4)

1.一种以乙腈为纳米TiO2分散介质的TiO2/AC光催化剂及其制备方法，其特征在于：先将活性炭干燥后，置于干燥器中备用，以无水乙腈为分散介质将纳米TiO2经超声分散在乙腈中，再在乙腈中经超声处理将纳米TiO2负载到活性炭表面抽滤后，再将负载了TiO2的活性炭在氮气保护下热处理。
2.根据权利要求1所述的以乙腈为纳米TiO2分散介质的TiO2/AC光催化剂及其制备方法，其特征在于：活性炭的粒状为80-120目，在130℃干燥2.5-3.5小时。
3. 根据权利要求1所述的以乙腈为纳米TiO2分散介质的TiO2/AC光催化剂及其制备方法，其特征在于：按1-8%的负载量将30-42mg的纳米TiO2（P-25）经频率在40-100Hz之间的超声波处理18-22分钟，使纳米TiO2先分散在18-22ml无水乙腈中，然后加入干燥备用的活性炭0.9-1.1g，再用频率为80-110Hz之间的超声波处理20-40分钟，将纳米TiO2负载到活性炭表面，抽滤制得TiO2/AC光催化剂。
4. 根据权利要求1所述的以乙腈为纳米TiO2分散介质的TiO2/AC光催化剂及其制备方法，其特征在于：将抽滤后的TiO2/AC光催化在氮气保护下，在240-260℃温度下热处理28-32分钟，即得高效的乙腈为分散介质的TiO2/AC复合光催化剂。
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