CN103551017A - 一种直流电晕放电气体净化器导电催化电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电晕放电气体净化器导电催化电极及其制备方法，该电极是由基底及涂覆在基底上的催化溶胶，经退火处理而成。该催化溶胶包含活性组分、掺杂组分和改性组分；该活性分为TiO₂；所述的掺杂组分为Sn；所述改性组分为包含F、In、Sb中的一种，其中，活性组分、掺杂组分和改性组分的摩尔比为1：0.1~0.9：0.1~0.2。本发明的导电催化电极用于直流电晕放电净化器地电极时，所述电极不改变电晕放电模式，特别是对比使用电阻率为约10⁴~10¹⁰Ω·cm的半导体TiO₂作为地电极的直流电晕放电反应器，对挥发性有机气体具有良好的净化性能，并具有较高的能量效率和较低的O₃排放。

Description

一种直流电晕放电气体净化器导电催化电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种直流电晕放电催化电极，具体来说，涉及一种直流电晕放电气体净化器导电催化电极，特别用于与直流电晕放电结合净化有机气体。

背景技术

我国正面临空气质量下降的巨大压力。非热等离子体放电-催化技术被公认为是具有应用前景的空气净化技术。该技术结合非热等离子体放电和催化作用的技术优势，放电产生其它方法在空气中无法获得的活性物质，催化作用增强活性物质在气态污染物转化降解过程中的利用效率，从而获得快速高效的净化性能和能量效率。

直流电晕放电是一种常见的非热放电方式，具备能耗低、发热量小、副产物产生量较小等特点，已被应用于与光催化剂结合去除气态污染物（中国专利：201120416032.1；200610154819.9；201120017900.9；200510114204.9；02118409.7）。TiO₂是一种廉价高效的催化剂，被用于与直流电晕放电结合协同净化空气（专利：201120017900.9；200510114204.9；02118409.7）。但TiO₂为半导体材料，电阻率高达10⁴~10¹⁰Ω·cm。直流电晕放电要求地电极具备足够低的电阻率，将高电阻率的TiO₂作为地电极将导致放电电流下降甚至闭塞，放电电流的下降意味着放电产生的活性物质减少，也就无从获得良好的协同净化性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种用作直流电晕放电地电极的导电催化电极，利用导电催化电极的低电阻率和等离子体诱导催化活性，提升直流电晕放电空气净化器的净化性能。

为达到上述目的，本发明提供了一种直流电晕放电气体净化器导电催化电极，该电极是由基底及涂覆在基底上的催化溶胶，经退火处理而成。所述催化溶胶包含活性组分、掺杂组分和改性组分；所述的活性分为TiO₂；所述的掺杂组分为Sn元素；所述改性组分为包含F、In、Sb元素中的一种；活性组分、掺杂组分和改性组分的摩尔比为1：0.1~0.9：0.1~0.2。其中，上述的Sn、F、In、Sb各组分以“元素”表述，因为催化剂热处理后元素的价态为多个，所以不能以单一价态的元素为组分表述。

上述的直流电晕放电气体净化器导电催化电极，其中，该电极的电阻率为10^-2~10Ω·cm。

本发明提供了一种上述的直流电晕放电气体净化器导电催化电极的制备方法，该方法包含以下步骤：

步骤1，制备溶胶，该催化溶胶包含活性组分、掺杂组分和改性组分；所述的活性分为TiO₂；所述的掺杂组分为Sn；所述改性组分为包含F、In、Sb中的一种，活性组分、掺杂组分和改性组分的摩尔比为1：0.1~0.9：0.1~0.2；

步骤2，凝胶的制备：预处理基底，将上述溶胶均匀地涂在基底表面，在烘箱中于60℃~100℃下烘干1~2小时，得到凝胶；

步骤3，导电催化电极制备：将上述凝胶及基底放置于马弗炉内于400℃~600℃下退火1~2小时，冷却至室温，得到电阻率为10^-2~10Ω·cm的导电催化电极。

上述的制备方法，其中，所述的步骤1包含：

步骤1.1，将乙酰丙酮和酒精按体积比1:1/9~9配置成混合溶液A；

步骤1.2，量取钛酸丁酯溶于混合溶液A，控制Ti⁴⁺浓度为0.1~1mol/L，得到溶液B；

步骤1.3，按Ti：Sn摩尔比为1：0.1~0.9称取五水合氯化锡溶解于溶液B，得到溶液C；

步骤1.4，按Ti：改性组分摩尔比为1：0.1~0.2称取一种改性组分溶解于C，得到溶液D；

步骤1.5，按Ti：H₂O摩尔比为1:4量取去离子水，剧烈搅拌下逐滴加入到溶液D中，在60℃~100℃下回流1~24小时，得到稳定的溶胶。

上述的制备方法，其中，步骤2中，所述的预处理是指：将基底在丙酮中超声10-40分钟，再用无水酒精清洗2-4次，后于烘箱中烘干。

上述的制备方法，其中，步骤2中，所述基底采用普通玻璃或石英玻璃。

上述的制备方法，其中，步骤2中，将溶胶以旋涂或浸渍提拉或滴涂的方法均匀地涂在基底表面。

上述的制备方法，其中，步骤3中，退火的升温速度2℃~10℃每分钟。

上述的制备方法，其中，步骤3中，冷却至室温的方式为在马弗炉内冷却至室温或取出后于空气中迅速冷却至室温。

本发明的导电催化电极用于直流电晕放电净化器地电极时，所述电极不改变电晕放电模式，特别是对比使用电阻率为约10⁴~10¹⁰Ω·cm的半导体TiO₂作为地电极的直流电晕放电反应器，对挥发性有机气体具有良好的净化性能，并具有较高的能量效率和较低的O₃排放。

具体实施方式

以下结合实施例与附图对本发明的技术方案作进一步地说明。

实施例1：F-Sn/TiO₂导电催化电极

将乙酰丙酮和酒精按体积比1: 9配置成混合溶液A。量取钛酸丁酯溶于混合溶液A，Ti⁴⁺浓度为0.5mol/L，得到溶液B。称取五水合氯化锡溶解于溶液B，Sn⁴⁺浓度为0.07mol/L，得到溶液C。称取氟化铵溶解于C，F^-浓度为0.05mol/L，得到溶液D。按Ti：H₂O摩尔比为1:4量取去离子水，剧烈搅拌下逐滴加入到溶液D中，在60℃下回流24小时，得到稳定的溶胶。将石英玻璃基底在丙酮中超声20分钟，后用无水酒精清洗3次于烘箱中烘干。以旋涂法将溶胶均匀地涂在基底表面，在烘箱中于60℃下烘干1小时，得到凝胶。将凝胶及基底放置于马弗炉内于450℃下退火1.5小时，升温速度2℃每分钟。在马弗炉内冷却至室温，得到F-Sn/TiO₂导电催化电极。

实施例2：In-Sn/TiO₂导电催化电极

将乙酰丙酮和酒精按体积比9: 1配置成混合溶液A。量取钛酸丁酯溶于混合溶液A，Ti⁴⁺浓度为1mol/L，得到溶液B。称取五水合氯化锡溶解于溶液B，Sn⁴⁺浓度为0.11mol/L，得到溶液C。称取四水合氯化铟溶解于C，In³⁺浓度为0.2mol/L，得到溶液D。按Ti：H₂O摩尔比为1:4量取去离子水，剧烈搅拌下逐滴加入到溶液D中，在80℃下回流18小时，得到稳定的溶胶。将普通玻璃基底在丙酮中超声20分钟，后用无水酒精清洗3次于烘箱中烘干。将溶胶均匀地滴涂在基底表面，在烘箱中于80℃下烘干2小时，得到凝胶。将凝胶及基底放置于马弗炉内于500℃下退火2小时，升温速度5℃每分钟。在马弗炉内冷却至室温，得到In-Sn/TiO₂导电催化电极。

实施例3：Sb-Sn/TiO₂导电催化电极

将乙酰丙酮和酒精按体积比1: 9配置成混合溶液A。量取钛酸丁酯溶于混合溶液A，Ti⁴⁺浓度为1mol/L，得到溶液B。称取五水合氯化锡溶解于溶液B，Sn⁴⁺浓度为1mol/L，得到溶液C。称取三氯化锑溶解于C，Sb³⁺浓度为0.15mol/L，得到溶液D。按Ti：H₂O摩尔比为1:4量取去离子水，剧烈搅拌下逐滴加入到溶液D中，在80℃下回流6小时，得到稳定的溶胶。将普通玻璃基底在丙酮中超声20分钟，后用无水酒精清洗3次于烘箱中烘干。以浸渍提拉法将溶胶均匀地涂在基底表面，在烘箱中于80℃下烘干1小时，得到凝胶。将凝胶及基底放置于马弗炉内于600℃下退火2小时，升温速度5℃每分钟。将样品从马弗炉取出于空气中内冷却至室温，得到Sb-Sn/TiO₂导电催化电极。

实施例4：Sn/TiO₂催化电极

将乙酰丙酮和酒精按体积比9: 1配置成混合溶液A。量取钛酸丁酯溶于混合溶液A，Ti⁴⁺浓度为1mol/L，得到溶液B。称取五水合氯化锡溶解于溶液B，Sn⁴⁺浓度为0.1mol/L，得到溶液C。按Ti：H₂O摩尔比为1:4量取去离子水，剧烈搅拌下逐滴加入到溶液C中，在80℃下回流10小时，得到稳定的溶胶。将普通玻璃基底在丙酮中超声20分钟，后用无水酒精清洗3次于烘箱中烘干。将溶胶均匀地滴涂在基底表面，在烘箱中于80℃下烘干2小时，得到凝胶。将凝胶及基底放置于马弗炉内于500℃下退火2小时，升温速度2℃每分钟。在马弗炉内冷却至室温， Sn/TiO₂催化电极。

样品性能测试

测定上述实例1~4制得样品的电阻率，结果例于表1。

表1： 催化电极电阻率 (Ω·cm)

表1显示改性后的电阻率显著低于Sn/TiO₂催化电极。

将上述实例1~4制得样品作为直流电晕放电气体净化器地电极，在体积为0.5m³的密闭小室内对甲醛（初始浓度约20ppm）、苯（初始浓度约20ppm）、甲苯（初始浓度约15ppm）三种有机气态污染物进行去除，去除时间为3小时，并测定副产物O₃浓度，并计算能量效率（被去除污染物质量 / 净化器消耗能量，g/kWh），结果例于表2。

表2： 以样品为地电极的直流电晕放电净化器净化性能

表2显示，对比以半导体催化剂Sn/TiO₂为地电极的直流电晕放电净化器，以导电催化剂F-Sn/TiO₂、In-Sn/TiO₂、 Sb-Sn/TiO₂为地电极的直流电晕放电净化器对甲醛、苯和甲苯具有良好的去除能力，并具有较高的能量效率和较低的O₃排放。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种直流电晕放电气体净化器导电催化电极，其特征在于，该电极是由基底及涂覆在基底上的催化溶胶，经退火处理而成，该催化溶胶包含活性组分、掺杂组分和改性组分；所述的活性分为TiO₂；所述的掺杂组分为Sn；所述改性组分为包含F、In、Sb中的一种，其中，活性组分、掺杂组分和改性组分的摩尔比为1：0.1~0.9：0.1~0.2。

2.如权利要求1所述的直流电晕放电气体净化器导电催化电极，其特征在于，该电极的电阻率为10^-2~10Ω·cm。

3.一种根据权利要求1所述的直流电晕放电气体净化器导电催化电极的制备方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤1，制备催化溶胶，该催化溶胶包含活性组分、掺杂组分和改性组分；所述的活性分为TiO₂；所述的掺杂组分为Sn；所述改性组分为包含F、In、Sb中的一种，其中，活性组分、掺杂组分和改性组分的摩尔比为1：0.1~0.9：0.1~0.2；

步骤2，凝胶的制备：预处理基底，将上述溶胶均匀地涂在基底表面，在烘箱中于60℃~100℃下烘干1~2小时，得到凝胶；

步骤3，导电催化电极制备：将上述凝胶及基底放置于马弗炉内于400℃~600℃下退火1~2小时，冷却至室温，得到电阻率为10^-2~10Ω·cm的导电催化电极。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤1包含：

步骤1.1，将乙酰丙酮和酒精按体积比1:1/9~9配置成混合溶液A；

步骤1.2，量取钛酸丁酯溶于混合溶液A，控制Ti⁴⁺浓度为0.1~1mol/L，得到溶液B；

步骤1.3，按Ti：Sn摩尔比为1：0.1~1称取五水合氯化锡溶解于溶液B，得到溶液C；

步骤1.4，按Ti：改性组分摩尔比为1：0.1~0.2称取一种改性组分溶解于C，得到溶液D；

步骤1.5，按Ti：H₂O摩尔比为1:4量取去离子水，剧烈搅拌下逐滴加入到溶液D中，在60℃~100℃下回流1~24小时，得到稳定的溶胶。

5. 如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的预处理是指：将基底在丙酮中超声10-40分钟，再用无水酒精清洗2-4次，后于烘箱中烘干。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述基底采用普通玻璃或石英玻璃。

7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，将溶胶以旋涂或浸渍提拉或滴涂的方法均匀地涂在基底表面。

8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，退火的升温速度2℃~10℃每分钟。

9.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，冷却至室温的方式为在马弗炉内冷却至室温或取出后于空气中迅速冷却至室温。