CN106039988A - 一种空气净化砖及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种空气净化砖，包括砖基底，砖基底表面上附着一层光催化涂层，光催化涂层为C3N4/ZnO层。制备方法包括以下步骤：1）对砖基底表面清洗预处理；2）在60～80℃下保温15～40h；3）置于硝酸锌与脲的混合液中浸泡24～72h后晾干，重复该步骤3～5次；4）将砖基底置于混合液中，在60～80℃下保温15～40h；5）根据需要修整砖基底，将修整好的砖基体升至500～650℃保温1～10h；6）经水洗、烘干即得成品。本申请的空气净化砖对空气污染处理有良好的效果；且可对砖表面的尘土等污物冲刷清洗掉后继续使用，仍能保持良好的光催化性能。
Description
技术领域
本发明属于砖制备技术领域，具体涉及一种空气净化砖及其制备方法。
背景技术
瓷砖广泛用于建筑物的内壁和外墙上边，满足人们对美感和功能的要求。较低的孔隙率，高的机械性能、耐化学腐蚀性能使瓷砖的应用领域越来越广泛，使之产量逐年增多。之前对于瓷砖的考虑多数集中于瓷砖的力学性能及其美观性上，随着材料科学及其他科学领域的发展，为功能瓷砖的提出提供了保障。
在功能瓷砖的研究中，光催化瓷砖是一个重要的研究方向。近年来，随着现代工业化的迅猛发展，人们对能源的需求日益增大，消耗了大量的煤、石油、天然气等不可再生的化石燃料，并排放出 ＣＯ２、ＳＯ２、ＮＯｘ等温室气体和有毒气体，造成严重的能源危机和环境恶化等问题，使人类面临严峻的生存挑战。
半导体光催化通过直接利用太阳光来驱动一系列重要的化学反应，将低密度的太阳能转化为高密度的化学能或直接降解和矿化有机污染物，在解决能源短缺和环境污染等方面表现出巨大的潜力。但是如何对光催化材料进行有效的利用，而不仅局限于实验室的实验，使这种功能材料大规模的使用，带来一定的经济效益和社会效益才是目的所在。
目前多数光催化瓷砖都是采用在釉体材料中混入二氧化钛的方式进行处理，或者是表面采用溶胶凝胶法涂覆一层二氧化钛的涂层，其中，在釉体材料中混入二氧化钛会导致二氧化钛裸露在空气中能够接收太阳光的比表面积变小，影响其光催化的效果；并且采用溶胶凝胶法进行涂覆的方式涂覆二氧化钛则只能对紫外光部分产生反应，只能吸收380nm以下的紫外光，在室内环境下无法应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空气净化砖，同时提供其制备工艺是本发明的另一发明目的。基于上述目的，本发明采取如下技术方案：一种空气净化砖，包括砖基底，所述砖基底表面上附着一层光催化涂层，所述光催化涂层为C3N4/ZnO层。
所述光催化涂层的厚度为0.1～1cm。
所述砖基底为亚光砖基底或玻璃基底或混凝土基底或钢铁基底或泡沫混凝土基底。
所述亚光砖基底为釉面砖基底或仿古砖基底。
所述的空气净化砖的制备方法，包括以下步骤：
1）对砖基底表面预处理：先采用去离子水超声清洗，经乙醇超声清洗后再次采用去离子水超声清洗即可；
2）将预处理后的砖基底在60～80℃下保温15～40h；
3）将砖基底置于硝酸锌与脲的混合液中浸泡24～72h后晾干，重复该步骤3～5次；
4）将砖基底置于步骤3）的混合液中，在60～80℃下保温15～40h，得到胶状物和表面附有胶状物的砖基底；
5）根据需要修整砖基底，即去除不需要涂覆的砖基体表面的胶状物，同时对需要涂覆的砖基体表面继续涂覆，将修整好的砖基体升温至500～650℃后保温1～10h得半成品砖；升温时的升温速度为5～20℃/min；
6）半成品砖经水洗、烘干即得成品。
步骤1）中，每次超声清洗的时间为10～15min。
步骤3）中，混合液中硝酸锌的浓度为0.2～3M，脲的的浓度为0.2～5M，且Zn（NO3)2与CO(NH2)2的质量比1︰1～1︰10。
步骤6）中，烘干采用的温度为70～80℃。
本申请中步骤3）的目的是为了使砖基底与混合液充分接触，这样制备出来的净化砖的光催化涂层比较均匀，且与基底的结合强度较高，这是因为在浸泡过程中会在砖基底内部发生浸润效果，在烧制过程中缝隙当中的溶液会形成籽晶，后边涂覆上去的胶体可以在缝隙当中的籽晶上进一步结晶，使表面的涂层更为均匀，结合力更强。
步骤4）为关键步骤，因为该步骤的目的是实现脲热分解的产物与氧化锌形成的胶状物，便于后续处理，而温度和保温时间是胶状物形成的关键，温度过高，会形成液体状，不会形成胶体状物质，而且会导致硝酸锌和脲发生反应生成二氧化碳气体挥发出去；温度过低，则混合液中的溶剂不会蒸发。
本申请中C3N4/ZnO涂层中若不含有ZnO，就会造成光生电子空穴复合率增加，光催化效率降低。并且，在制备涂层的过程中，Zn（NO3)2与脲形成锌氨络离子，形成一种溶胶状态，可以涂覆于基底表面，便于做基底涂层，若反应中没有Zn（NO3)2，就不会形成溶胶状态，那么在烧制的过程中附着于砖基体上的光催化材料的量就会很少，达不到降解污染物的效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、以砖基体为光催化制成基底，将光催化剂附着在砖基体上，一方面由于砖在建筑物表面和内部广泛使用，可对空气污染处理有良好的效果；另一方面也便于光催化材料的回收与清洗，可对砖表面的尘土等污物冲刷清洗掉后继续使用，仍能保持良好的光催化性能；
2、本申请首次采用Zn(NO3）2和脲配置成溶胶，便于在砖基体表面进行涂覆，克服了现有技术中粉状光催化剂不能进行涂覆的缺陷；通过加热即可生成光催化材料C3N4/ZnO，其制备方法简单，价格低廉；
3、经过实验证实，本申请的空气净化砖对空气污染处理有良好的效果：在2min内将降解空气污染物NO 25%以上；在5min内，150w的金卤素灯或者LED灯照射下可将1000ppb的NO浓度降解到700ppb，降解率达到30%，效果优异；
4、本申请制备的C3N4/ZnO可以调节带隙结构，减少单一C3N4电子空穴容易复合降低效率的几率，提高电子空穴分离效率，提高光催化效果，制成的光催化砖可广泛应用于隧道、建筑物表面，也可应用于水体污染处理。
5、本发明的制备方法简单，成本低，利于工业化应用，有广泛的应用前景。
附图说明
图1是未经处理瓷砖和经过处理过的瓷砖的对比图；
图2是混合液中硝酸锌的浓度和脲的浓度不同对空气净化砖降解一氧化氮的影响结果；
图3是本发明得到的空气净化砖的UV-VIS可见光吸收光谱图。
具体实施方式
下面实施例只为进一步说明本发明，不以任何形式限制本发明。
实施例1
一种空气净化砖，包括亚光砖基底，所述亚光砖基底为釉面砖基底，所述砖基底表面上附着一层厚度为0.1cm的光催化涂层，所述光催化涂层为C3N4/ZnO层。
其制备方法，包括以下步骤：
1）对砖基底表面预处理：先采用去离子水超声清洗，经乙醇超声清洗后再次去离子水超声清洗即可；步骤1）中每次超声清洗的时间为10min；
2）将经过预处理的砖基底在80℃下保温24h；
3）将砖基底置于硝酸锌与脲的混合液中浸泡24h后晾干，重复该步骤3次；
4）将砖基底置于步骤3）的混合液中，且距离混合液容器底部1cm，在80℃的烘箱中保温24h，得到表面附有胶状物的砖基底和胶状物；
5）去除不需要涂覆的砖基体表面的胶状物，同时对需要涂覆的砖基体表面继续涂覆直至涂覆的厚度达到0.1cm，将修整好的砖基体用铝箔将其包裹后置于马弗炉中，以5℃/min的升温速度升至500℃，保温1h得半成品砖；
6）将半成品砖用去离子水冲洗后置于马弗炉中70℃下烘干即得成品。
本实施例制得的空气净化砖见图1所示，图中，a为未经处理砖，b经过处理过的空气净化砖砖；从图1中可知，经过处理的砖基体上附着一层表面均匀的黄色涂层，同时瓷砖表面涂层完整均匀，涂层的附着力测试表明其附着力较强。
实施例2
一种空气净化砖，包括亚光砖基底，所述亚光砖基底为仿古砖基底，所述砖基底表面上附着一层厚度为1cm的光催化涂层，所述光催化涂层为C3N4/ZnO层。
其制备方法，包括以下步骤：
1）对砖基底表面预处理：先采用去离子水超声清洗，经乙醇超声清洗后再次去离子水超声清洗即可；步骤1）中每次超声清洗的时间为15min；
2）将经过预处理的砖基底在60℃下保温40h；
3）将砖基底放入硝酸锌与脲的混合液中浸泡72h后晾干，重复该步骤5次；
4）将砖基底倒置于步骤3）的混合液中，且距离混合液容器底部1cm，在60℃的烘箱中保温40h，得到表面附有胶状物的砖基底和胶状物；
5）去除砖基体表面的不需要涂覆的胶状物，同时对需要涂覆的砖基体表面继续涂覆至涂覆的厚度达到1cm，将修整好的砖基体用铝箔将其包裹后置于马弗炉中，以20℃/min的升温速度升至650℃，保温10h得半成品砖；
6）将半成品砖用去离子水冲洗后置于马弗炉中80℃下烘干即得成品。
实施例3
一种空气净化砖，包括砖基底，所述砖基底为玻璃基底（在其他实施例中科选择混凝土基底或钢铁基底或泡沫混凝土基底，所述砖基底表面上附着一层厚度为0.5cm的光催化涂层，所述光催化涂层为C3N4/ZnO层。
所述C3N4/ZnO层采用以下方法获得：将Zn(NO3）2和脲配置混合液，混合液中硝酸锌的浓度为2M，脲的浓度是0.5M，在80℃下处理15h得到脲热分解的产物与氧化锌形成的胶状物，并涂覆于砖基底表面，使其表面附着一层对可见光有响应的光催化材料，升温速度为10℃/min，升温至600℃，保温时间为5h得半成品转；半成品砖经水洗、烘干即得成品砖。
其制备方法，包括以下步骤：
1）对砖基底表面预处理：先采用去离子水超声清洗，经乙醇超声清洗后再次去离子水超声清洗即可；步骤1）中每次超声清洗的时间为12min；
2）将经过预处理的砖基底在80℃下保温15h；
3）将砖基底置于硝酸锌与脲的混合液中浸泡36h后晾干，重复该步骤4次；
4）将砖基底置于步骤3）的混合液中，且距离混合液容器底部1cm，在80℃的烘箱中保温15h，得到表面附有胶状物的砖基底和胶状物；
5）去除砖基体表面的不需要涂覆的胶状物，同时对需要涂覆的砖基体表面继续涂覆至涂覆的厚度达到0.8cm，将修整好的砖基体用铝箔将其包裹后置于马弗炉中，以10℃/min的升温速度升至600℃，保温5h得半成品砖；
6）将半成品砖用去离子水冲洗后置于马弗炉中70℃下烘干即得成品。
效果实验
效果实验1、混合液中硝酸锌的浓度和脲的浓度不同对空气净化砖降解一氧化氮的影响
为了研究混合液中硝酸锌的浓度和脲的浓度对不同对空气净化砖降解一氧化氮的影响，在本效果实验中，分别制备了空气净化砖样品1、2、3、4和5，制备方法参见实施例1，其中，1号样品Zn（NO3)2与CO(NH2)2的质量比例是 10:10、2号样品Zn（NO3)2与CO(NH2)2的质量比例是 3:10、3号样品Zn（NO3)2与CO(NH2)2的质量比例是1:10、4号样品Zn（NO3)2与CO(NH2)2的质量比例是 5:10、5号样品Zn（NO3)2与CO(NH2)2的质量比例是 20:10。图2是混合液中硝酸锌的浓度和脲的浓度不同对空气净化砖降解一氧化氮的影响结果。
由图2可以看出，随着Zn（NO3)2的质量比例由1:10上升到3:10继而上升到5:10，可以看出4号样品，在Zn（NO3)2与CO(NH2)2的质量比为5:10的时候，降解一氧化氮空气污染物的效果是最好的，在1ppm的一氧化氮的浓度下，可以降解28%的浓度值，进一步提高Zn（NO3)2的质量比例到10:10的时候，效果反而会下降，一氧化氮的降解比率下降到22%，更进一步提高Zn（NO3)2的质量比例到20:10的时候，一氧化氮的降解效果会降低到14%，因此在Zn（NO3)2与CO(NH2)2的质量比小于1:1并且大于1:10时一氧化氮的降解率可达到20%以上，大于1:1或者小于1:10时，其降解率低于20%。
效果实验2、本发明得到的空气净化砖在可见光范围内光催化范围
对效果实验1中的样品1、2、3和4进行UV-VIS可见光吸收光谱测试，结果见图3所示。
由图3可知，采用本发明制备的瓷砖在可见光范围内具有较宽的吸收范围，能够应用于室内空气污染及隧道和地下空气污染处理，包括气体污染物及有机水体污染物，并且在现有关于光催化瓷砖当中未见在可见光光照下降解污染物NO的报道。
Claims (8)
1.一种空气净化砖，其特征在于，包括砖基底，所述砖基底表面上附着一层光催化涂层，所述光催化涂层为C3N4/ZnO层。
2.如权利要求1所述的一种空气净化砖，其特征在于，所述光催化涂层的厚度为0.1～1cm。
3.如权利要求2所述的一种空气净化砖，其特征在于，所述砖基底为亚光砖基底或玻璃基底或混凝土基底或钢铁基底或泡沫混凝土基底。
4.如权利要求3所述的一种空气净化砖，其特征在于，所述亚光砖基底为釉面砖基底或仿古砖基底。
5.权利要求1-4任一所述的空气净化砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对砖基底表面预处理：先采用去离子水超声清洗，经乙醇超声清洗后再次采用去离子水超声清洗即可；
2）将预处理后的砖基底在60～80℃下保温15～40h；
3）将砖基底置于硝酸锌与脲的混合液中浸泡24～72h后晾干，重复该步骤3～5次；
4）将砖基底置于步骤3）的混合液中，在60～80℃下保温15～40h，得到胶状物和表面附有胶状物的砖基底；
5）根据需要修整砖基底，即去除不需要涂覆的砖基体表面的胶状物，同时对需要涂覆的砖基体表面继续涂覆，将修整好的砖基体升温至500～650℃后保温1～10h得半成品砖；升温时的升温速度为5～20℃/min；
6）半成品砖经水洗、烘干即得成品。
6.如权利要求5所述的空气净化砖的制备方法，其特征在于，步骤1）中，每次超声清洗的时间为10～15min。
7.如权利要求5所述的空气净化砖的制备方法，其特征在于，步骤3）中，混合液中硝酸锌的浓度为0.2～3M，脲的浓度为0.2～5M，且Zn（NO3)2与CO(NH2)2的质量比1︰1～1︰10。
8.如权利要求5所述的空气净化砖的制备方法，其特征在于，步骤6）中，烘干采用的温度为70～80℃。
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