CN104069879B

CN104069879B - 一种二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法

Info

Publication number: CN104069879B
Application number: CN201310098480.5A
Authority: CN
Inventors: 刘玉鑫; 袁建辉; 黄晶; 刘奕; 丁思月; 李华
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2033-03-25
Also published as: CN104069879A

Abstract

本发明提供了一种二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的制备方法。该方法是在利用湿化学反应法制备羟基磷灰石的过程中，加入二氧化钛粉末，使羟基磷灰石在二氧化钛粉末表面析出，并形核长大，经过一定的熟化时间后，形成在二氧化钛表面包覆羟基磷灰石的复合粉末。与现有的制备技术相比，该方法有利于羟基磷灰石与二氧化钛均匀混合，形成包覆结构，增大了待降解物与二氧化钛的接触概率，从而提高了复合粉末的光催化降解效率。另外，该方法原料来源广泛、成本低廉、工艺灵活易控，因此在污水处理、空气清洁等环保领域具有广阔的应用前景。

Description

一种二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法

技术领域

本发明涉及光催化剂制备技术领域，尤其涉及一种能够降解有机污染物的二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法。

背景技术

地球上的水资源十分宝贵，但是遭受着各种各样的污染而产生了例如工业废水和生活废水等含有大量有机无机污染物的污水，这些污水如果直接排放到自然水源中会造成更大的污染，例如，许多疾病就是通过水中的细菌等微生物进行传播的。因此，污水处理一直备受人们的关注。

传统的污水处理方法是在水中添加氯，然而氯与水中的有机物发生反应会产生包括三卤甲烷、卤乙酸等许多致癌的副产物。另外，很多微生物对于氯化作用产生了抗性，需要更大的剂量才能使其彻底失活，但是较高剂量的氯也使饮用水的气味加重、口感严重下降。因此，人们开始努力寻找更健康、更高效、对水质影响更小的处理方法，包括臭氧处理、二氧化氯处理、过滤、紫外辐射杀菌等。这些方法虽然能有效地对饮用水进行净化处理，但是需要昂贵的化学制品或者处理设备，极大地限制了实际应用。

自从1985年发现光催化作用具有消毒效果以来，利用二氧化钛光催化进行污水处理越来越受到人们的重视。二氧化钛一般以悬浮液的形式分散于水中，在紫外光照条件下进行污水处理。在此过程中，二氧化钛光催化产生氢氧自由基等基团，这些集团具有极强的氧化性，能够将几乎所有有机污染物，包括细菌、病毒等微生物彻底氧化，最终转变为无毒的二氧化碳、水等。然而，由于二氧化钛的吸附能力不强，污染物不能很好地与其接触，另外，二氧化钛的生物活性不强，细菌等微生物在其表面的贴附效果有限，这些因素均限制了二氧化钛光催化进行污水处理的效果。因此，在污水处理中，提高二氧化钛光催化材料的吸附性能及生物活性，尤其是当污染物浓度较低时，显得尤为重要。

羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂,HA)是人体骨骼的主要成分之一，具有极好的吸附性能和生物相容性。在二氧化钛中添加羟基磷灰石，能够有效提高二氧化钛的吸附性能和生物活性，从而提高二氧化钛的光催化处理效果。但是，目前通常采用机械混合的方法将二氧化钛和羟基磷灰石粉末进行简单混合，混合后成分并不均匀，导致羟基磷灰石与二氧化钛的结合效果并不好。因此，寻找一种操作简单、成本低廉，能够制得羟基磷灰石与二氧化钛混合均匀、结合良好的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的方法已成为光催化剂制备领域中的重要课题。

发明内容

本发明的技术目的是针对利用目前的制备方法所得到的二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化材料成分不均匀，二氧化钛和羟基磷灰石结合效果不佳的问题，提供一种制备二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的新方法，利用该方法得到的复合粉末中二氧化钛与羟基磷灰石结合良好，成分均匀，从而具有较强的催化降解能力。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法，如图1所示，该方法首先以磷酸氢二铵（(NH₄)₂HPO₄）和硝酸钙（Ca(NO₃)₂）溶液为原料，利用湿化学法制备羟基磷灰石前驱体浆料，即在硝酸钙溶液中搅拌滴入磷酸氢二铵溶液，使混合溶液中钙磷元素的摩尔比大体为5:3（即混合溶液中钙磷元素的摩尔比为5:3或者约为5:3），在该混合过程中采用搅拌滴入氨水的方法以调节混合溶液的PH值为10～14，制得羟基磷灰石前驱体浆料；然后，在该羟基磷灰石前驱体浆料中搅拌加入适量二氧化钛粉末，或者保持该羟基磷灰石前驱体浆料熟化一定时间后搅拌加入适量二氧化钛粉末，羟基磷灰石前驱体浆料在二氧化钛存在的条件下继续熟化，使羟基磷灰石在二氧化钛粉末表面析出并形核长大，形成二氧化钛/羟基磷灰石复合浆料；最后，将二氧化钛/羟基磷灰石复合浆料中的沉淀进行洗涤、干燥，得到二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末。

所述的湿化学法制备羟基磷灰石前驱体工艺中，硝酸钙溶液浓度优选为0.25～2.5摩尔/升，磷酸氢二铵溶液浓度优选为0.15～1.5摩尔/升。

所述的二氧化钛可以是单一二氧化钛粉末，也可以是多种二氧化钛的复合粉末；其晶相包括但不限于锐钛矿、金红石相及其混合相；其粉末粒径不限，一般为5纳米～500微米；其微观形貌包括但不限于棒状、球状、片状、针状等。

作为优选，所述的磷酸氢二铵溶液的滴入速度为1毫升/分～10毫升/分。

作为优选，二氧化钛粉末的加入质量与羟基磷灰石前驱体浆料中应制得羟基磷灰石质量之比为1:2～3:1，进一步优选为1:1～2:1。

作为优选，保持羟基磷灰石前驱体浆料熟化0.25小时以上时间后加入二氧化钛粉末，为了进一步提高二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的光催化性能，优选保持羟基磷灰石前驱体浆料熟化0.5小时～36小时，更优选为1小时～24小时。

作为优选，加入二氧化钛后保持羟基磷灰石前驱体浆料继续熟化时间为3小时～72小时，进一步优选为加入6～36小时，更优选为12～24小时。

所述的制备过程中，包括湿化学法制备羟基磷灰石前驱体浆料的过程以及二氧化钛粉末加入羟基磷灰石前驱体浆料中得到二氧化钛/羟基磷灰石复合浆料的过程，搅拌速度以浆料混合均匀为标准，优选为100转/分～300转/分。

所述的洗涤过程中所用的溶剂包括但不限于水、酒精等。

所述的干燥方法不限，包括离心后干燥、过滤后干燥或直接烘干等。

综上所述，本发明利用湿化学法制备羟基磷灰石前驱体浆料，待其熟化一定时间后加入粉末状二氧化钛，使羟基磷灰石前驱体在二氧化钛颗粒表面形核长大，以制备出羟基磷灰石包覆二氧化钛颗粒的复合光催化剂，不仅具有优异的光催化性能，同时具有优异的吸附性能和生物相容性。与传统的二氧化钛光催化剂相比，本发明具有如下优点：

（1）采用湿化学法首先制备羟基磷灰石前驱体浆料，然后在该浆料中加入二氧化钛粉末，有利于羟基磷灰石与二氧化钛均匀混合，形成包覆结构，增大了待降解物与二氧化钛的接触概率，从而极大提高了复合粉末的光催化降解效率；

（2）通过加入量的调节，能够实现羟基磷灰石与二氧化钛的比例调控；

（3）反应条件温和、工艺灵活、简单易控、原料成本较低，便于实现大规模生产，在污水处理、空气清洁等环保领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的制备工艺示意图；

图2（a）是实施例1中制得的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的微观组织形貌图；

图2（b）是实施例7中制得的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的微观组织形貌图；

图3（a）是实施例1中制得的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的XRD图谱；

图3（b）是实施例7中制得的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的XRD图谱；

图4（a）是实施例1中制得的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的光催化测试结果；

图4（b）是实施例2中制得的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的光催化测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法包括如下步骤：

（1）在浓度为0.25mol/L的硝酸钙溶液中以2毫升/分的速度搅拌滴入浓度为0.15mol/L的磷酸二氢铵溶液，使混合溶液中钙磷元素的摩尔比为5:3，在该过程中搅拌滴入氨水以调节混合溶液PH值保持为11，制备羟基磷灰石前驱体浆料；该过程中，搅拌速度为200转/分；

（2）保持该羟基磷灰石前驱体浆料熟化1.5小时后在该羟基磷灰石前驱体浆料中搅拌加入二氧化钛P25粉末，P25粉末的粒径大约为21nm，P25粉末的加入质量与羟基磷灰石前驱体浆料理论应制得羟基磷灰石的质量之比为2:1，羟基磷灰石前驱体浆料在该二氧化钛存在的条件下继续熟化，使羟基磷灰石在二氧化钛粉末表面形核长大，形成二氧化钛/羟基磷灰石复合浆料，该继续熟化时间为24小时；该过程中，搅拌速度为200转/分；

（3）最后，将二氧化钛/羟基磷灰石复合浆料中的沉淀进行洗涤、干燥，得到二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末。

图2（a）是本实例中所制备的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的微观形貌图。从图中可以看到所制备的复合粉末为球形颗粒，其粒径在30～50nm左右，大于所加入的P25的粒径，说明羟基磷灰石在二氧化钛表面形成了包覆层。

图3（a）是本实例中所制备的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的XRD图谱。该XRD图谱中有锐钛矿二氧化钛、金红石相二氧化钛及羟基磷灰石的特征峰存在，说明该复合粉末是由P25及羟基磷灰石构成的；并且羟基磷灰石结晶度不是很高，说明其晶粒尺寸较小（即包覆层较薄）。

对本实施例制备得到的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末进行光催化性能测试。测试过程为：以亚甲基蓝溶液（5ppm,30ml）为降解物，加入10mg的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末，15W紫外光照，每隔10分钟对亚甲基蓝溶液进行浓度检测，结果如图4（a）所示。从图4（a）可以看出，随着紫外光照时间的增加，亚甲基蓝溶液的浓度呈减小趋势，且趋势明显；待光催化60分钟后，亚甲基蓝溶液浓度降为初始浓度的30%；说明利用本实施例中的方法制备得到的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末对有机物具有较好的光催化降解性能。

实施例2：

本实施例中，二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是，在步骤（2）中首先保持羟基磷灰石前驱体浆料熟化5小时，然后加入二氧化钛P25粉末。

本实例中所制备的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的微观形貌图类似图2（a）所示，复合粉末为球形颗粒，其中羟基磷灰包覆在二氧化钛表面并且包覆性较好，复合粉末的颗粒粒径均匀。

本实例中所制备的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的XRD图谱类似图3（a）所示，图谱中有锐钛矿二氧化钛、金红石相二氧化钛及羟基磷灰石的特征峰存在，说明该复合粉末是由P25及羟基磷灰石构成的。

对本实施例制备得到的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末进行光催化性能测试。测试过程为：以亚甲基蓝溶液（5ppm,30ml）为降解物，加入10mg的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末，15W紫外光照，每隔10分钟对亚甲基蓝溶液进行浓度检测，结果见图4（b）所示。从图4（b）可以看出，随着紫外光照时间的增加，亚甲基蓝溶液的浓度呈减小趋势，且趋势十分明显；待光催化60分钟后，亚甲基蓝几乎全部被降解；说明利用本是实施例中的方法制备得到的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末对有机物具有极其优异的光催化降解性能。

实施例3：

本实施例中，二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是：在步骤（1）中搅拌滴入氨水以调节混合溶液PH值保持为14；以及在步骤（2）中首先保持羟基磷灰石前驱体浆料熟化2小时，然后加入二氧化钛P25粉末。

对本实施例制备得到的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末进行光催化性能测试。测试过程为：以亚甲基蓝溶液（5ppm,30ml）为降解物，加入10mg的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末，15W紫外光照，每隔10分钟对亚甲基蓝溶液进行浓度检测。结果表明，随着紫外光照时间的增加，亚甲基蓝溶液的浓度呈减小趋势，且趋势十分明显；光催化60分钟后，亚甲基蓝溶液浓度降为初始浓度的20%；说明该方法制备的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末对有机物具有优异的光催化降解效果。

实施例4：

本实施例中，氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是：步骤（1）中硝酸钙溶液中以9毫升/分的速度搅拌滴入磷酸二氢铵溶液；以及在步骤（2）中首先保持羟基磷灰石前驱体浆料熟化5小时，然后加入二氧化钛P25粉末。

对本实施例制备得到的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末进行光催化性能测试。测试过程为：以亚甲基蓝溶液（5ppm,30ml）为降解物，加入10mg的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末，15W紫外光照，每隔10分钟对亚甲基蓝溶液进行浓度检测。结果表明，随着紫外光照时间的增加，亚甲基蓝溶液的浓度呈减小趋势，且趋势十分明显；待光催化60分钟后，亚甲基蓝溶液浓度降为初始浓度的9%；说明该方法制备的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末对有机物具有优异的光催化降解效果。

实施例5：

本实施例中，氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是：步骤（2）中首先保持羟基磷灰石前驱体浆料熟化2小时，然后加入二氧化钛P25粉末；以及步骤（1）过程与步骤（2）过程中的搅拌速度为300转/分。

对本实施例制备得到的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末进行光催化性能测试。测试过程为：以亚甲基蓝溶液（5ppm,30ml）为降解物，加入10mg复合粉末，15W紫外光照，每隔10分钟对亚甲基蓝溶液进行浓度检测。结果表明，随着紫外光照时间的增加，亚甲基蓝溶液的浓度呈减小趋势，且趋势十分明显；光催化60分钟后，亚甲基蓝溶液浓度降为初始浓度的24%；说明该方法制备的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末对有机物具有优异的光催化降解效果。

实施例6：

本实施例中，氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是：在步骤（2）中直接加入二氧化钛P25粉末，即羟基磷灰石前驱体浆料熟化0小时后加入二氧化钛P25粉末。

对本实施例制备得到的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末进行光催化性能测试。测试过程为：以亚甲基蓝溶液（5ppm,30ml）为降解物，加入10mg的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末，15W紫外光照，每隔10分钟对亚甲基蓝溶液进行浓度检测。结构表明，随着紫外光照时间的增加，亚甲基蓝溶液的浓度呈减小趋势，但是趋势不如图4（a）明显；待光催化60分钟后，亚甲基蓝溶液浓度降为初始浓度的60%；说明利用本实施例中的方法制备得到的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末对有机物具有一定的光催化降解性能。

实施例7：

本实施例中，氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是：

（ⅰ）步骤（1）中硝酸钙溶液浓度为2.5mol/L，磷酸二氢氨溶液浓度为1.5mol/L；

（ⅱ）在步骤（2）中直接加入二氧化钛P25粉末，即保持羟基磷灰石前驱体浆料熟化0小时后加入二氧化钛P25粉末；

（ⅲ）在步骤（2）中所加二氧化钛P25粉末质量与羟基磷灰石理论质量比为1:1。

本实例中所制备的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的微观形貌图如图2（b）所示，复合粉末为球形颗粒，粒径为70nm左右，远大于所加入的P25的粒径，说明羟基磷灰石在二氧化钛表面形成了包覆层，且包覆层较厚。

本实例中所制备的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的XRD图谱如图3（b）所示，图谱中有锐钛矿二氧化钛、金红石相二氧化钛及羟基磷灰石的特征峰存在，说明该复合粉末是由P25及羟基磷灰石构成的，羟基磷灰石特征峰明显，说明其结晶度较好(包覆层较厚)。

对本实施例制备得到的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末进行光催化性能测试。测试过程为：以亚甲基蓝溶液（5ppm,30ml）为降解物，加入10mg的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末，15W紫外光照，每隔10分钟对亚甲基蓝溶液进行浓度检测。结果表明，随着紫外光照时间的增加，亚甲基蓝溶液的浓度呈减小趋势，但是趋势不如图4（a）明显；待光催化60分钟后，亚甲基蓝溶液浓度降为初始浓度的90%；说明利用本实施例中的方法制备得到的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末对有机物具有一定的光催化降解性能。

实施例8：

本实施例中，二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是：在步骤（2）中，加入二氧化钛P25粉末后浆料的继续熟化时间为36小时。

本实例中所制备的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末的微观形貌图如图2（a）所示，复合粉末为球形颗粒，其中羟基磷灰包覆在二氧化钛表面并且包覆性较好，复合粉末的颗粒粒径均匀。

对本实施例制备得到的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末进行光催化性能测试。测试过程为：以亚甲基蓝溶液（5ppm,30ml）为降解物，加入10mg的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末，15W紫外光照，每隔10分钟对亚甲基蓝溶液进行浓度检测。结果表明，随着紫外光照时间的增加，亚甲基蓝溶液的浓度呈减小趋势；待光催化60分钟后，亚甲基蓝溶液浓度降为初始浓度的35%；说明利用本实施例中的方法制备得到的二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末对有机物具有良好的光催化降解性能。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法，其特征是：首先，以磷酸氢二铵((NH₄)₂HPO₄)和硝酸钙(Ca(NO₃)₂)溶液为原料，在硝酸钙溶液中搅拌滴入磷酸氢二铵溶液，使混合溶液中钙磷元素的摩尔比为5:3，在该混合过程中采用搅拌滴入氨水的方法以调节混合溶液的pH值为10～14，制得羟基磷灰石前驱体浆料；然后，保持该羟基磷灰石前驱体浆料熟化0.25小时以上时间后搅拌加入适量二氧化钛粉末，羟基磷灰石前驱体浆料在二氧化钛存在的条件下继续熟化，使羟基磷灰石在二氧化钛粉末表面析出并形核长大，形成二氧化钛/羟基磷灰石复合浆料；最后，将二氧化钛/羟基磷灰石复合浆料中的沉淀进行洗涤、干燥，得到二氧化钛/羟基磷灰石复合粉末。

2.根据权利要求1所述的二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法，其特征是：所述的硝酸钙溶液的浓度为0.25～2.5摩尔/升，磷酸氢二铵溶液的浓度为0.15～1.5摩尔/升。

3.根据权利要求1所述的二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法，其特征是：所述的磷酸氢二铵溶液的滴入速度为1毫升/分～10毫升/分。

4.根据权利要求1所述的二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法，其特征是：所述的二氧化钛粉末的粒径为5纳米～500微米。

5.根据权利要求1所述的二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法，其特征是：所述的二氧化钛粉末的加入质量与羟基磷灰石前驱体浆料中应制得羟基磷灰石质量的比为1:2～3:1。

6.根据权利要求5所述的二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法，其特征是：所述的二氧化钛粉末的加入质量与羟基磷灰石前驱体浆料中应制得羟基磷灰石质量的比为1:1～2:1。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法，其特征是：保持羟基磷灰石前驱体浆料熟化0.5～36小时后加入二氧化钛粉末。

8.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法，其特征是：保持羟基磷灰石前驱体浆料熟化1～24小时后加入二氧化钛粉末。

9.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法，其特征是：加入二氧化钛后保持羟基磷灰石前驱体浆料继续熟化6～72小时。

10.根据权利要求9中所述的二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法，其特征是：加入二氧化钛后保持羟基磷灰石前驱体浆料继续熟化继续熟化12～36小时。

11.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的二氧化钛/羟基磷灰石复合光催化剂的制备方法，其特征是：所述的制备过程中，包括湿化学法制备羟基磷灰石前驱体浆料的过程以及二氧化钛粉末加入羟基磷灰石前驱体浆料中得到二氧化钛/羟基磷灰石复合浆料的过程，搅拌速度为100转/分～300转/分。