CN106499481B - TiO2-石墨烯多层结构及其在汽柴油发动机中的应用 - Google Patents

TiO2-石墨烯多层结构及其在汽柴油发动机中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TiO2‑石墨烯多层结构,由石墨烯层和TiO2层交替叠加而成,其可被应用于汽柴油机的进气系统内，与空气滤清器联用，可提高其过滤效果，同时催化净化空气，提高空气的燃烧效率，从而起到节油减排的效果。

Description

TiO2-石墨烯多层结构及其在汽柴油发动机中的应用
技术领域
本发明涉及一种TiO2-石墨烯多层结构及其在汽柴油发动机中的应用，尤其是在汽柴油发动机进气系统中的应用。
背景技术
空气滤清器（Air Filter）主要应用在气动机械、内燃机械等领域，作用是为这些机械设备提供清洁的空气，以防这些机械设备在工作中吸入带有杂质颗粒的空气而增加磨蚀和损坏的机率。空气滤清器的主要组成部分是滤芯和机壳，其中滤芯是主要的过滤部分，承担着气体的过滤工作，而机壳是为滤芯提供必要保护的外部结构。
在汽车的千千万万个零部件中，空气滤清器是一个极不起眼的部件，因为它不直接关系到汽车的技术性能，但在汽车的实际使用中，空气滤清器却对汽车（特别是发动机）的使用寿命有极大的影响。一方面，如果没有空气滤清器的过滤作用，发动机就会吸入大量含有尘埃、颗粒的空气，导致发动机气缸磨损严重；另一方面，如果在使用过程中，长时间不给维护保养，空气滤清器的滤芯就会粘满空气中的灰尘，这不但使过滤能力下降，而且还会妨碍空气的流通，导致混合气过浓而使发动机工作不正常。
为了进一步提高发动机的燃烧效果，降低尾气排放本发明致力于开发一种在发动机空气进气管道中进一步起到过滤和催化作用的材料。
石墨烯（Graphene）是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，同时利用其超大的比表面积，可将石墨烯用于汽柴油发动机进气系统的管道中。
二氧化钛材料因能有效催化降解空气与水中的有机和无机污染物以及杀死微生物，而又不产生二次污染和可重复使用，且二氧化钛具有一定的吸收紫外线的能力以及优异的化学稳定性、热稳定性、无毒性等特点。二氧化钛作为催化剂，不仅是一种环境安全的清洁剂，而且可以起到节省能量还有保护环境资源的作用。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了一种TiO2-石墨烯多层结构，该结构由石墨烯层和TiO2层交替叠加而成，其层数优选为2-10层，每层TiO2的厚度优选为10nm-1μm，每层石墨烯的厚度优选为5-100nm。
进一步，本发明提供的所述TiO2-石墨烯多层结构的制备方法包括步骤：
1）在金属铜衬底上化学气相沉积（CVD）石墨烯层；
2）在石墨烯层上化学气相沉积（CVD）TiO2层；
3）根据需要在TiO2层上再次化学气相沉积石墨烯层；
4）根据需要重复步骤2）和3）；
5）去除金属铜衬底，获得TiO2-石墨烯多层结构。
优选地，步骤1）的具体操作为：
A）铜衬底预处理：抛光、超声清洗、干燥；
B）将铜衬底置于CVD设备内，然后抽真空；
C）通入氦气和氢气，保持气压在100-500Pa，其中氢气的流量为100-500sccm，氦气的流量为100-1000sccm；
D）将铜衬底的温度升温至900-1000℃并保温20-40min，然后通入一定比例的氢气和甲烷（或乙炔），保持气压在100-500Pa，持续通气直至石墨烯生长完成，停止加热，保持通入氢气和氦气至温度降至室温，取出铜衬底和石墨烯。
优选地，步骤2）的具体操作为：
a）将带有石墨烯层的铜衬底置于CVD设备内，然后抽真空；
b）通入含有0.05-0.5wt%四氯化钛和0.05-0.5wt%氧气的氦气，保持气压在100 -500Pa，总气体流量为1000-2000sccm，温度控制在140-150℃；
c）将带有石墨烯层的铜衬底的温度升温至500-700℃，保持气压在100-500Pa，持续通气直至TiO2生长完成，停止加热，保持通入氦气至温度降至室温，取出带有石墨烯层和TiO2层的铜衬底。
优选地，步骤5）去除铜衬底的方法为腐蚀法，具体操作为：将制备完成的TiO2- 石墨烯多层结构与铜衬底一起，悬挂或支撑置于腐蚀溶液内，使铜衬底浸入溶液液面下，直至铜衬底被完全腐蚀，取出TiO2-石墨烯多层结构并用去离子水洗净，干燥。
进一步，本发明还提供了一种用TiO2-石墨烯多层结构制成的空气净化催化装置，该装置具有蜂窝状结构。
优选地，所述蜂窝的数量为5-20个。
本发明制备的TiO2-石墨烯多层结构及其空气净化催化装置可被应用于汽柴油机的进气系统内，与空气滤清器联用，可提高其过滤效果，同时催化净化空气，提高空气的燃烧效率，从而最终起到节油减排的效果。实验证明按空气滤清器的滤芯等体积配备的TiO2-石墨烯多层结构空气净化催化装置在其对应的汽柴油机的进气系统中应用，可节油10%以上，尾气排放量下降50%以上，行驶3万公里的节油费等于收回助燃剂费用，利国利民。
附图说明
图1是TiO2-石墨烯多层结构空气净化催化装置的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
一种TiO2-石墨烯双层结构的制备步骤如下：
1）铜衬底预处理：物理抛光、化学抛光，依次用丙酮、乙醇超声清洗，最后用氮气吹干；
2）将铜衬底置于制石墨烯的CVD设备内，然后抽真空；
3）通入氦气和氢气，保持气压在100-500Pa，其中氢气的流量为100-500sccm，氦气的流量为100-1000sccm；
4）将铜衬底的温度升温至900-1000℃并保温30min，然后通入一定比例的氢气和乙炔，保持气压在100-500Pa，持续通气直至石墨烯层生长至6nm，停止加热，保持通入氢气和氦气至温度降至室温，取出铜衬底和石墨烯；
5）将带有石墨烯层的铜衬底置于制TiO2的CVD设备内，然后抽真空；
6）通入含有0.05-0.5wt%四氯化钛和0.05-0.5wt%氧气的氦气，保持气压在100 -500Pa，总气体流量为1000-2000sccm，温度控制在140-150℃；
7）将带有石墨烯层的铜衬底的温度升温至500-700℃，保持气压在100-500Pa，持续通气直至TiO2生长至20nm，停止加热，保持通入氦气至温度降至室温，取出带有石墨烯层和TiO2层的铜衬底；
8）将制备完成的TiO2-石墨烯双层结构与铜衬底一起，悬挂于稀过硫酸铵溶液内，使铜衬底浸入溶液液面下，浸泡一段时间直至铜衬底被完全腐蚀，取出TiO2-石墨烯多层结构并用去离子水洗净，干燥。
将本实施例制得的TiO2-石墨烯双层结构做成的空气净化催化装置如图1所示，其核心结构为七个蜂窝1，将该空气净化催化装置与等滤芯体积的滤清器联用与汽车进气系统内，行驶5千公里后节油15%，尾气排放量降低65%。
实施例2
一种TiO2-石墨烯六层结构的制备步骤如下：
1）铜衬底预处理：物理抛光、化学抛光，依次用丙酮、乙醇超声清洗，最后用氮气吹干；
2）将铜衬底置于制石墨烯的CVD设备内，然后抽真空；
3）通入氦气和氢气，保持气压在100-500Pa，其中氢气的流量为100-500sccm，氦气的流量为100-1000sccm；
4）将铜衬底的温度升温至900-1000℃并保温20min，然后通入一定比例的氢气和甲烷，保持气压在100-500Pa，持续通气直至石墨烯层生长至10nm，停止加热，保持通入氢气和氦气至温度降至室温，取出铜衬底和石墨烯；
5）将带有石墨烯层的铜衬底置于制TiO2的CVD设备内，然后抽真空；
6）通入含有0.05-0.5wt%四氯化钛和0.05-0.5wt%氧气的氦气，保持气压在100 -500Pa，总气体流量为1000-2000sccm，温度控制在140-150℃；
7）将带有石墨烯层的铜衬底的温度升温至500-700℃，保持气压在100-500Pa，持续通气直至TiO2生长至50nm，停止加热，保持通入氦气至温度降至室温，取出带有石墨烯层和TiO2层的铜衬底；
8）将制备获得的TiO2-石墨烯双层结构与铜衬底一起再置于石墨烯的CVD设备内，重复步骤2）-7）五次；
9）将制备完成的TiO2-石墨烯六层结构与铜衬底一起，悬挂于稀过硫酸铵溶液内，使铜衬底浸入溶液液面下，浸泡一段时间直至铜衬底被完全腐蚀，取出TiO2-石墨烯多层结构并用去离子水洗净，干燥。
将本实施例制得的TiO2-石墨烯六层结构做成如图1所示的空气净化催化装置，并与等滤芯体积的滤清器联用与汽车进气系统内，行驶5千公里后节油12%，尾气排放量降低55%。
实施例3
一种TiO2-石墨烯十层结构的制备步骤如下：
1）铜衬底预处理：物理抛光、化学抛光，依次用丙酮、乙醇超声清洗，最后用氮气吹干；
2）将铜衬底置于制石墨烯的CVD设备内，然后抽真空；
3）通入氦气和氢气，保持气压在100-500Pa，其中氢气的流量为100-500sccm，氦气的流量为100-1000sccm；
4）将铜衬底的温度升温至900-1000℃并保温20min，然后通入一定比例的氢气和甲烷，保持气压在100-500Pa，持续通气直至石墨烯层生长至100nm，停止加热，保持通入氢气和氦气至温度降至室温，取出铜衬底和石墨烯；
5）将带有石墨烯层的铜衬底置于制TiO2的CVD设备内，然后抽真空；
6）通入含有0.05-0.5wt%四氯化钛和0.05-0.5wt%氧气的氦气，保持气压在100 -500Pa，总气体流量为1000-2000sccm，温度控制在140-150℃；
7）将带有石墨烯层的铜衬底的温度升温至500-700℃，保持气压在100-500Pa，持续通气直至TiO2生长至100nm，停止加热，保持通入氦气至温度降至室温，取出带有石墨烯层和TiO2层的铜衬底；
8）将制备获得的TiO2-石墨烯双层结构与铜衬底一起再置于石墨烯的CVD设备内，重复步骤2）-7）九次；
9）将制备完成的TiO2-石墨烯六层结构与铜衬底一起，悬挂于稀过硫酸铵溶液内，使铜衬底浸入溶液液面下，浸泡一段时间直至铜衬底被完全腐蚀，取出TiO2-石墨烯多层结构并用去离子水洗净，干燥。
将本实施例制得的TiO2-石墨烯十层结构做成如图1所示的空气净化催化装置，并与等滤芯体积的滤清器联用与汽车进气系统内，行驶5千公里后节油10%，尾气排放量降低50%。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种TiO2-石墨烯多层结构，其特征在于所述多层结构由石墨烯层和TiO2层交替叠加而成，所述多层结构的制备方法包括步骤：
1)在金属铜衬底上化学气相沉积(CVD)石墨烯层；
2)在石墨烯层上化学气相沉积(CVD)TiO2层；
3)根据需要在TiO2层上再次化学气相沉积石墨烯层；
4)根据需要重复步骤2)和3)；
5)去除金属铜衬底，获得TiO2-石墨烯多层结构，其中，去除铜衬底的方法为腐蚀法，具体操作为：将制备完成的TiO2-石墨烯多层结构与铜衬底一起，悬挂或支撑置于腐蚀溶液内，使铜衬底浸入溶液液面下，直至铜衬底被完全腐蚀，取出TiO2-石墨烯多层结构并用去离子水洗净，干燥。
2.如权利要求1所述的TiO2-石墨烯多层结构，其特征在于所述多层结构的层数为2-10层。
3.如权利要求2所述的TiO2-石墨烯多层结构，其特征在于每层TiO2的厚度为10nm-1μm。
4.如权利要求2所述的TiO2-石墨烯多层结构，其特征在于每层石墨烯的厚度优选为5-100nm。
5.如权利要求1所述的TiO2-石墨烯多层结构，其特征在于步骤1)的具体操作为：
A)铜衬底预处理：抛光、超声清洗、干燥；
B)将铜衬底置于CVD设备内，然后抽真空；
C)通入氦气和氢气，保持气压在100-500Pa，其中氢气的流量为100-500sccm，氦气的流量为100-1000sccm；
D)将铜衬底的温度升温至900-1000℃并保温20-40min，然后通入一定比例的氢气和甲烷或乙炔，保持气压在100-500Pa，持续通气直至石墨烯生长完成，停止加热，保持通入氢气和氦气至温度降至室温，取出铜衬底和石墨烯。
6.如权利要求1所述的TiO2-石墨烯多层结构，其特征在于步骤2)的具体操作为：
a)将带有石墨烯层的铜衬底置于CVD设备内，然后抽真空；
b)通入含有0.05-0.5wt％四氯化钛和0.05-0.5wt％氧气的氦气，保持气压在100-500Pa，总气体流量为1000-2000sccm，温度控制在140-150℃；
c)将带有石墨烯层的铜衬底的温度升温至500-700℃，保持气压在100-500Pa，持续通气直至TiO2生长完成，停止加热，保持通入氦气至温度降至室温，取出带有石墨烯层和TiO2层的铜衬底。
7.用如权利要求1-6任一项所述的TiO2-石墨烯多层结构制备的空气净化催化装置，其特征在于所述装置具有蜂窝状结构。
8.如权利要求1-6任一项所述的TiO2-石墨烯多层结构在汽柴油发动机进气系统中的应用。
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