CN106391083A - 用于隧道涂层的氮掺杂二氧化钛光催化剂制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种用于隧道涂层的氮掺杂二氧化钛光催化剂制备方法，属于隧道涂层技术领域，解决目前用于隧道涂层的常规二氧化钛光催化剂只能吸收紫外光、难以利用可见光、易团聚、降解效率低、在隧道照明条件下降解尾气效果差的问题。本发明首先采用溶胶‑凝胶法制得氮掺杂二氧化钛溶胶，密封溶胶在常温常压下陈化12小时，制得凝胶，在80℃条件下干燥24小时，研磨后在500℃煅烧18小时，然后停止加热，自然降温至常温，制得氮掺杂二氧化钛；最后，模拟隧道环境下测试氮掺杂二氧化钛对汽车尾气的实际降解效果，经反复试验，确定氮的最佳掺杂量。本发明制备的氮掺杂二氧化钛用作隧道涂层材料对净化隧道内汽车尾气、改善隧道内行车环境具有重要的现实意义。

Description

用于隧道涂层的氮掺杂二氧化钛光催化剂制备方法
技术领域
本发明是一种用于隧道涂层的氮掺杂二氧化钛光催化剂制备方法，属于隧道涂层技术领域。
背景技术
随我国城镇化水平日益提高和公路交通迅速发展，修筑了许多长达型隧道工程。但是，隧道是个相对封闭的空间，车辆行驶时排出的废气、烟尘、有机物等污染物难以排出。导致隧道内的汽车尾气浓度明显高于隧道外，有毒有害物质含量高，导致严重空气污染，危害司乘人员的健康。虽然隧道内安装的通风设备可排出部分污染物，只能起到稀释空气污染物的作用，达到改善隧道空气环境质量，且从隧道中排出的污染物仍然会对隧道附近口周围环境造成严重危害。因此，公路隧道运营的安全性、舒适性和环保性越来越受到司乘人员和隧道运营管理部门的关注。
已有研究表明，汽车行驶排放的尾气中含有CO、CO2、NOx、HC等多种成分，污染了隧道内的空气，对人体的健康造成重大的威胁。且随着隧道内尾气浓度累积，能见度降低，引起车辆行驶视距下降，妨碍行车安全。因此，利用化学降解技术净化隧道内的汽车尾气污染，减少对隧道内和隧道洞口周边环境的影响日益受到人们重视。目前，汽车尾气净化技术主要包括机内净化和机外净化，机外净化是在尾气排出气缸进入大气之前，利用转化装置将其中的有害部分转化为无害气体，主要是在汽车排气管安置三元催化转换器，但因三元催化转化器催化剂表面与尾气接触有限、接触时间短、在有限时间内只能降解部分污染，同时，三元催化转化器长时间工作会使催化器中毒失效。因此可考虑在隧道内壁或路面涂覆具有降解功能的催化材料来降解汽车尾气。
近年来，二氧化钛作为一种光催化剂由于具有优异的光化学性能，且稳定性好，廉价易得、无毒等特点受到了广泛关注，在净化空气、污水处理等方面得到广泛应用和研究。因此若能将光催化材料纳米二氧化钛掺杂到沥青混合料或涂料中，制成环保型沥青路面和涂层，这将对减少隧道内尾气污染程度，提高司乘人员的行驶环境质量有重大意义。
但是，纳米二氧化钛存在两个缺点：(1)由于二氧化钛属于宽禁带半导体(Eg＝3.2eV)，仅能吸收波长小于387nm的紫外光，不能吸收可见光，从而限制了对光能的吸收利用；(2)纳米二氧化钛受光照产生的光生载流子，有可能在二氧化钛粒子内部和表面上重新复合而降低二氧化钛的活性。如何提高可见光催化效率和量子效率已成为二氧化钛光催化研究的重要课题之一。
为改善二氧化钛光催化性能，使二氧化钛适应隧道内光照条件下降解汽车尾气，大量的学者利用表面贵金属沉积、复合半导体、表面光敏化、表面螯合衍生化作用、离子掺杂等方法对二氧化钛进行改性。其中，离子掺杂又分为金属离子掺杂和非金属离子掺杂。由于非金属离子掺杂形成的杂能级和二氧化钛导带接近，在降低二氧化钛禁带宽度的同时，不仅有助于纳米二氧化钛光催化剂在可见光区域催化活性的拓展，还不会影响到其紫外光区的催化活性，逐渐受到关注，成为二氧化钛光催化改性方法之一。因此，本发明根据隧道环境条件，采用氮掺杂改性二氧化钛光催化剂用作隧道内衬砌、路面、附属设施等表面的涂层材料，充分利用隧道照明条件，使其光吸收谱带向可见光拓展，提高可见光吸收率，改善二氧化钛光催化效率，对更高效降解汽车尾气、提高隧道空气质量具有重要的现实意义。
发明内容
(1)技术问题
本发明目的是提供一种用于隧道涂层的氮掺杂二氧化钛光催化剂制备方法，解决目前用于隧道涂层的常规二氧化钛光催化剂只能吸收紫外光、难以利用可见光、易团聚、降解效率低、在隧道照明条件下降解尾气效果差的问题。
(2)技术方案
目前常规方法制备的二氧化钛光催化剂，可见光响应程度低、量子效率低、纳米颗粒易团聚，汽车尾气降解效果差等问题。本发明深入到二氧化钛的微观层次，根据隧道照明条件，利用非金属氮离子提高二氧化钛光催化剂在人造光源下降解汽车尾气效果，提供一种用于隧道涂层的氮掺杂二氧化钛光催化剂制备方法。本发明技术方案如下：首先，采用溶胶-凝胶法制得氮掺杂二氧化钛溶胶，经陈化制得凝胶，再研磨和煅烧制备纳米氮掺杂二氧化钛光催化剂，然后利用X射线衍射、透射电子显微镜、紫外-可见光漫反射光谱、X射线光电子能谱等表征手段分析氮离子对二氧化钛的微观结构的改变，最后模拟隧道环境下测试氮掺杂二氧化钛对汽车尾气的实际降解效果，确定氮的最佳掺杂量，提高二氧化钛对汽车尾气的降解效果。
(3)有益效果
随着我国隧道工程的迅速发展，大量的长大型隧道相继投入使用，隧道是个相对封闭的区域，长大型隧道在运营管理时又会常常遇到通风不畅的问题，使车辆行驶时排出的废气烟尘无法及时排除，不仅对人体的健康造成重大的威胁，还会降低隧道内的能见度降低，妨碍行车安全，污染物的长期存在还会对隧道内的结构物、灯具等设备造成腐蚀，影响其使用寿命。本发明提供一种用于隧道涂层的氮掺杂二氧化钛光催化剂制备方法，提高二氧化钛对可见光的利用率，从而提高光催化降解效率。采用本发明制备的氮掺杂改性二氧化钛光催化剂用作隧道内壁、路面和附属设施的涂层材料，充分利用隧道照明条件，对进一步提高对隧道内汽车尾气降解效果，改善隧道空气质量和行车环境，保证司乘人员的健康具有十分重要的现实意义。
具体实施方式
本发明提供一种用于隧道涂层的氮掺杂二氧化钛光催化剂制备方法，具体实施步骤如下：
(1)先把0.025摩尔(2.52克)乙酰丙酮加入到32毫升的正丁醇中，然后在加入0.05摩尔(17.5克)钛酸四丁酯，在常温常压下强力搅拌混合1小时，制得溶液A；
(2)把0.15摩尔(9.05克)异丙醇溶解在3.64毫升蒸馏水中，然后全部加入到溶液A中，在常温常压下强力搅拌混合1小时，制得溶液B；
(3)把一定量的四甲基乙二胺加入到溶液B中，在常温常压下强力搅拌混合1小时，制得溶胶C，密封溶胶C在常温常压下陈化12小时，制得凝胶；
(4)将凝胶在80℃条件下干燥24小时，研磨后放在马沸炉中，以10℃/分钟升温至500℃，保持该温度煅烧18小时，然后停止加热，自然降温至常温，制得氮掺杂二氧化钛；
(5)利用光催化剂降解汽车尾气测试装置，模拟隧道照明条件测试氮掺杂二氧化钛对汽车尾气各成分的光催化降解效果，经反复试验，调整四甲基乙二胺添加量，确定氮的最佳掺杂量，使氮掺杂二氧化钛在隧道照明条件下，发挥更好的降解效果。

Claims (1)

1.一种用于隧道涂层的氮掺杂二氧化钛光催化剂制备方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：
(1)先把0.025摩尔(2.52克)乙酰丙酮加入到32毫升的正丁醇中，然后在加入0.05摩尔(17.5克)钛酸四丁酯，在常温常压下强力搅拌混合1小时，制得溶液A；
(2)把0.15摩尔(9.05克)异丙醇溶解在3.64毫升蒸馏水中，然后全部加入到溶液A中，在常温常压下强力搅拌混合1小时，制得溶液B；
(3)把一定量的四甲基乙二胺加入到溶液B中，在常温常压下强力搅拌混合1小时，制得溶胶C，密封溶胶C在常温常压下陈化12小时，制得凝胶；
(4)将凝胶在80℃条件下干燥24小时，研磨后放在马沸炉中，以10℃/分钟升温至500℃，保持该温度煅烧18小时，然后停止加热，自然降温至常温，制得氮掺杂二氧化钛；
(5)利用光催化剂降解汽车尾气测试装置，模拟隧道照明条件测试氮掺杂二氧化钛对汽车尾气各成分的光催化降解效果，经反复试验，调整四甲基乙二胺添加量，确定氮的最佳掺杂量，使氮掺杂二氧化钛在隧道照明条件下，发挥更好的降解效果。
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