CN104096553B - 基于石墨烯成分的二氧化钛溶液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于石墨烯成分的二氧化钛溶液，其包括：按重量百分比计算：蒸馏水87‑92％、二氧化钛2‑4％、石墨烯5‑7％、碳纳米管1‑2％。本发明提供的一种基于石墨烯成分的二氧化钛溶液，二氧化钛作为光触媒，对甲醛、苯、氨气、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等有害室内有害气体可快速分解，添加少量的碳纳米管和石墨烯，有利于二氧化钛分解甲醛过程中产生的电子和空穴的传递，从而加速分解甲醛及室内污染物。本发明还提供了一种基于石墨烯成分的二氧化钛溶液制备方法。

Description

基于石墨烯成分的二氧化钛溶液及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛溶液，特别涉及一种基于石墨烯成分的二氧化钛溶液及其制备方法。

背景技术

甲醛具有较强的粘合性，还具有加强板材的硬度及防虫、防腐的功能，所以用来合成多种粘合剂。板材中残留的或未参与反应的甲醛会逐渐向周围环境释放，固化了的胶层在一定条件下也会降解裂化释放出甲醛。甲醛对皮肤黏膜具有刺激作用，对人体具有致敏作用，可引起过敏性皮炎、色斑、支气管哮喘等。其还具有强烈的致癌性和促癌变性，可引起例如鼻咽癌和白血病。甲醛污染问题已引起人们的广泛关注。

目前市场上销售的除甲醛产权品大多只是一种“表面封闭剂”，其在板材或家具表面形成一层膜来暂时封闭甲醛的释放，一旦该膜由于受潮或遇热而遭到破坏，甲醛就会重新散发出来，除甲醛效果差。其他具有分解甲醛功能的除甲醛剂，由于光激发光触媒产生的电子空穴对极易复合，分解速度慢。因此，有效、快速分解由室内装修引起的甲醛污染已成为迫切需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种加快甲醛分解速率、效果好的基于石墨烯成分的二氧化钛溶液及其制备方法。

一种基于石墨烯成分的二氧化钛溶液，其包括：按重量百分比计算，蒸馏水87-92％、二氧化钛2-4％、石墨烯5-7％、碳纳米管1-2％。

一种基于石墨烯成分的二氧化钛溶液的制备方法，其包括以下步骤：

S1：将石墨烯、二氧化钛进行改性处理，将碳纳米管进行前处理；

S2：将改性处理后的石墨烯、蒸馏水混合，搅拌1-2h，制得石墨烯溶液；

S3：将蒸馏水、石墨烯溶液、改性处理后的二氧化钛、前处理后的碳纳米管依次加入到反应容器内进行加热，至65-120℃，使二氧化钛、石墨烯溶液、碳纳米管溶解；

S4：将溶解后所得溶液冷却至室温，过滤后即得到无杂质的二氧化钛溶液。

本发明提供的一种基于石墨烯成分的二氧化钛溶液及其制备方法，二氧化钛进行催化反应，对甲醛、苯、氨气、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等有害室内有害气体快速分解，具有异味净化杀菌功能，石墨烯及碳纳米管能提高二氧化钛分解甲醛过程中产生的电子和空穴的传递速率，从而加速甲醛及室内污染物的分解。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的基于石墨烯成分的二氧化钛溶液制备方法的流程示意图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种基于石墨烯成分的二氧化钛溶液，其包括：按重量百分比计算，蒸馏水87-92％、二氧化钛2-4％、石墨烯5-7％、碳纳米管1-2％。

为使二氧化钛分解甲醛过程中产生的电子和空穴的传递速度达到最佳状态，室内甲醛分解速率最快，效果最好，综合成本考虑，本实施例中：优选蒸馏水92％、二氧化钛2％、石墨烯5％、碳纳米管1％。

光激发TiO2产生的电子空穴对极易复合，利用石墨烯独特的电子传输特性可以降低光生载流子的复合，提高TiO₂的光催化效率，本实施例中：石墨烯优选石墨烯溶液。

碳纳米管拥有特殊的比表面积、孔隙结构和一定的吸附性能，可以提高其表面有机物的浓度；同时碳纳米管是电的良导体，可以充当电子传递的导线，收集TiO₂纳米粒子的光生电子，降低光生电子－空穴复合几率，本实施例中：所述碳纳米管为碳纳米管粉剂，所述碳纳米管粉剂的直径为10-60nm，长度为1-100μm。

本发明还提供了一种基于石墨烯成分的二氧化钛溶液制备方法，其包括以下步骤：

S1：将石墨烯、二氧化钛进行改性处理，将碳纳米管进行前处理；

S2：将改性处理后的石墨烯、蒸馏水混合，搅拌1-2h，制得石墨烯溶液；

S3：将蒸馏水、石墨烯溶液、改性处理后的二氧化钛、前处理后的碳纳米管依次加入到反应容器内进行加热，至65-120℃，使二氧化钛、石墨烯溶液、碳纳米管溶解；

S4：将溶解后所得溶液冷却至室温，过滤后即得到无杂质的二氧化钛溶液。

石墨烯的含量对光催化活性有显著影响，需要保持石墨烯的最佳负载量。本实施例中：石墨烯、蒸馏水的质量比为1:500-1000。过滤网优选80目过滤网，方便过滤杂质。

将石墨烯进行改性处理包括以下步骤：将石墨烯置于含有表面活性剂的溶液中，在超声条件下搅拌3-6h，冷却至室温；过滤后将过滤物洗涤，在60-80℃下真空干燥6-10h。

石墨烯改性处理其作用是：改善石墨烯之间π-π键的分散性及水溶性，使石墨烯在溶液中分散均匀，另外还可以提高石墨烯的吸附性能，便于将甲醛分子直接吸附到催化剂表面，提高分解速率。本实施例中：所述表面活性剂为季铵盐化合物、聚乙二醇、十二烷基硫酸钠中的一种。所述石墨烯与所述表面活性剂的质量比为20-50:1。

将二氧化钛进行改性处理包括以下步骤：将二氧化钛置于Na₂SiO₃的水溶液中，在常温状态下放置1-3h，再加入酸性溶液，在50-80℃加热2-3h，冷却至室温；过滤后将过滤物洗涤，在60-80℃下真空干燥3-5h。

Na₂SiO₃的水溶液与酸性溶液的作用原理化学式：

Na₂SiO₃+H₂NO₃+(n-1)H₂O→SiO₂·nH₂O↓+3Na₂NO₃

二氧化钛改性处理其作用是：一方面可以增强二氧化钛的水溶性及分散性，另一方面通过在二氧化钛表面形成一层保护膜，避免二氧化钛与其他物质反应，提高二氧化钛耐久性和化学稳定性，延长二氧化钛的使用寿命，降低成本。本实施例中：所述酸性溶液为硫酸、硝酸、盐酸、过氧化氢中的一种或多种。所述二氧化钛、所述Na₂SiO₃的水溶液、所述酸性溶液的比为1g：30-100ml：20-70ml，所述Na₂SiO₃的水溶液的浓度为3-7mol/L,所述酸性溶液的浓度为2-6mol/L。

将碳纳米管进行前处理包括以下步骤：将碳纳米管置于酸性溶液中，在超声条件下分散3-10h，冷却至室温；水洗去除酸液，在40-60℃下真空干燥8-15h。

碳纳米管前处理其作用是：提高碳纳米管的水溶性及分散性，增强碳纳米管与二氧化钛的界面结合强度，提高电子的迁移率，减少电子－空穴对复合，提高催化活性。本实施例中：所述酸性溶液为硫酸、硝酸、盐酸中的一种或多种。所述碳纳米管与所述酸性溶液的比为1g:30-50ml,所述酸性溶液的浓度为2-6mol/L。

实施例1

一种基于石墨烯成分的二氧化钛溶液的制备方法，包括以下步骤：

将1g石墨烯置于含有0.05g表面活性剂的溶液中，在超声条件下搅拌6h，冷却至室温；过滤后将过滤物洗涤，在65℃下真空干燥6h,备用；将2g二氧化钛置于60mlNa₂SiO₃的水溶液中，在常温状态下放置3h，再加入40ml酸性溶液，在50℃加热2h，冷却至室温；过滤后将过滤物洗涤，在70℃下真空干燥3h，备用；将1g碳纳米管置于30ml酸性溶液中，在超声条件下分散5h，冷却至室温；水洗去除酸液，在60℃下真空干燥15h备用；将1g改性处理后的石墨烯与500g蒸馏水混合，搅拌1h，制得石墨烯溶液。

将蒸馏水、制得的石墨烯溶液、改性处理后的二氧化钛、前处理后的碳纳米管分别按照重量百分比92％：5％：2％：1％依次加入到反应容器内进行加热，至85℃，使改性处理后的二氧化钛、石墨烯溶液、前处理后的碳纳米管溶解；将溶解后所得溶液冷却至室温，用过滤网过滤，即得到无杂质的二氧化钛溶液。

将所制得的二氧化钛溶液喷洒到刚装修的房间内的家具及墙面上进行甲醛净化速率测试，2h时甲醛的初始转化率为70％，3h后甲醛转化率降为90％。

实施例2

一种基于石墨烯成分的二氧化钛溶液的制备方法，包括以下步骤：

将1g石墨烯置于含有0.05g表面活性剂的溶液中，在超声条件下搅拌6h，冷却至室温；过滤后将过滤物洗涤，在65℃下真空干燥6h,备用；将2g二氧化钛置于60mlNa₂SiO₃的水溶液中，在常温状态下放置3h，再加入40ml酸性溶液，在50℃加热2h，冷却至室温；过滤后将过滤物洗涤，在70℃下真空干燥3h，备用；将2g碳纳米管置于60ml酸性溶液中，在超声条件下分散5h，冷却至室温；水洗去除酸液，在60℃下真空干燥15h备用；将1g改性处理后的石墨烯与500g蒸馏水混合，搅拌1h，制得石墨烯溶液。

将蒸馏水、制得的石墨烯溶液、改性处理后的二氧化钛、前处理后的碳纳米管分别按照重量百分比90％：6％：2％：2％依次加入到反应容器内进行加热，至85℃，使改性处理后的二氧化钛、石墨烯溶液、前处理后的碳纳米管溶解；将溶解后所得溶液冷却至室温，用过滤网过滤，即得到无杂质的二氧化钛溶液。

将所制得的二氧化钛溶液喷洒到刚装修的房间内的家具及墙面上进行甲醛净化速率测试，2h时甲醛的初始转化率为60％，3h后甲醛转化率降为76％。

实施例3

一种基于石墨烯成分的二氧化钛溶液的制备方法，包括以下步骤：

将1g石墨烯置于含有0.05g表面活性剂的溶液中，在超声条件下搅拌6h，冷却至室温；过滤后将过滤物洗涤，在65℃下真空干燥6h,备用；将2g二氧化钛置于60ml Na₂SiO₃的水溶液中，在常温状态下放置3h，再加入40ml酸性溶液，在50℃加热2h，冷却至室温；过滤后将过滤物洗涤，在70℃下真空干燥3h，备用；将2g碳纳米管置于60ml酸性溶液中，在超声条件下分散5h，冷却至室温；水洗去除酸液，在60℃下真空干燥15h备用；将1g改性处理后的石墨烯与500g蒸馏水混合，搅拌1h，制得石墨烯溶液。

将蒸馏水、制得的石墨烯溶液、改性处理后的二氧化钛、前处理后的碳纳米管分别按照重量百分比92％：4％：2％：2％依次加入到反应容器内进行加热，至85℃，使改性处理后的二氧化钛、石墨烯溶液、前处理后的碳纳米管溶解；将溶解后所得溶液冷却至室温，用过滤网过滤，即得到无杂质的二氧化钛溶液。

将所制得的二氧化钛溶液喷洒到刚装修的房间内的家具及墙面上进行甲醛净化速率测试，2h时甲醛的初始转化率为63％，3h后甲醛转化率降为85％。

本发明提供了一种基于石墨烯成分的二氧化钛溶液及其制备方法的作用原理：在光催化氧化空气中微量甲醛的反应条件下,吸附在TiO₂表面的空气中的氧气被光生电子还原为·O^2-,微量水被空穴氧化为·O H。两者为甲醛的深度氧化提供了高活性的氧化剂。·O^2-和·O H攻击甲醛的C—H键,与其活泼的H原子产生新自由基,激发链式反应,最终使甲醛分解为H₂O和CO₂。

甲醛分解溶液对室内甲醛的作用化学式：

h⁺+OH^-→·OH

h⁺+H₂O→·OH+H⁺

O₂+e^-→·O^2-

CHO+·OH→HCOOH

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能，碳纳米管中碳原子以sp²杂化为主，同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp³杂化键，即形成的化学键同时具有sp²和sp³混合杂化状态，而这些p轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π键，碳纳米管具有良好的导电性能。

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。碳原子构成的单层片状结构，只有一个碳原子厚度的二维材料，其具有优越的传输电子的能力。

添加少量的碳纳米管和石墨烯，利于二氧化钛分解甲醛过程中产生的电子和空穴的传递，从而加速分解。

本发明提供的基于石墨烯成分的二氧化钛溶液及其制备方法，二氧化钛进行催化反应，可以对甲醛、苯、氨气、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等有害室内有害气体快速分解，添加少量的碳纳米管和石墨烯，有利于二氧化钛分解甲醛及室内污染物过程中产生的电子和空穴的传递，从而加速分解。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于石墨烯成分的二氧化钛溶液的制备方法，其特征在于：所述基于石墨烯成分的二氧化钛溶液包括：按重量百分比计算，蒸馏水87-92％、二氧化钛2-4％、石墨烯5-7％、碳纳米管1-2％；

所述基于石墨烯成分的二氧化钛溶液的制备方法包括以下步骤：

S1：将石墨烯、二氧化钛进行改性处理，将碳纳米管进行前处理；

S2：将改性处理后的石墨烯、蒸馏水混合，搅拌1-2h，制得石墨烯溶液；

S3：将蒸馏水、石墨烯溶液、改性处理后的二氧化钛、前处理后的碳纳米管依次加入到反应容器内进行加热，至65-120℃，使二氧化钛、石墨烯溶液、碳纳米管溶解；

S4：将溶解后所得溶液冷却至室温，过滤后即得到无杂质的二氧化钛溶液；

所述将二氧化钛进行改性处理包括以下步骤：将二氧化钛置于Na₂SiO₃的水溶液中，在常温状态下放置1-3h，再加入酸性溶液，在50-80℃加热2-3h，冷却至室温；过滤后将过滤物洗涤，在60-80℃下真空干燥3-5h；

所述将石墨烯进行改性处理包括以下步骤：将石墨烯置于含有表面活性剂的溶液中，在超声条件下搅拌3-6h，冷却至室温；过滤后将过滤物洗涤，在60-80℃下真空干燥6-10h；

所述表面活性剂为季铵盐化合物、聚乙二醇、十二烷基硫酸钠中的一种。

2.如权利要求1所述的基于石墨烯成分的二氧化钛溶液的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管的直径为10-60nm，长度为1-100μm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述酸性溶液为硫酸、硝酸、盐酸、过氧化氢中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述将碳纳米管进行前处理包括以下步骤：将碳纳米管置于酸性溶液中，在超声条件下分散3-10h，冷却至室温；水洗去除酸液，在40-60℃下真空干燥8-15h。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述酸性溶液为硫酸、硝酸、盐酸中的一种或多种。