CN106881073A - 一种用于空气净化的光催化剂涂层结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及净化技术领域。一种用于空气净化的光催化剂涂层结构，包括一由活性炭构成的基体，基体的外表面负载有纳米TiO2涂层，纳米TiO2涂层的重量是基体重量的5‑30％。本发明的涂层结构具有单一涂层，而不是复合涂层，也没有粘结剂包覆在TiO2表面的现象。本发明可通过吸附‑光催化双功能，实现有机微污染物深度净化，具有优异的光催化效应；同时具有抗菌杀菌的效果，对人体无毒，不需要更换再生。
Description
技术领域
本发明涉及净化技术领域，具体涉及光催化剂。
背景技术
目前正进入以“室内空气污染”为标志的第三污染时期。有研究表明：室内环境中的污染水平是室外的2～5倍，有时甚至高达100倍；另一方面人的一生平均有70～90％的时间是在室内度过的，人们在室内具有较高的暴露浓度水平。因此，室内空气质量就与人体健康更为密切相关，更为人们所关注。
室内空气污染物包括：生物性污染物，如细菌、病毒、真菌孢子、尘埃、尘螨发粉、宠物与人类的毛发、皮屑等；化学性污染物，如二手烟、甲醛、苯系物、臭氧等；异味，如来自宠物、烹饪、垃圾及人体等。室内的污染物大多数具有化学毒性和“三致作用”，对人体健康造成潜在的危害。因此除去室内空气中的挥发性有机物、异味、细菌等具有非常重要的意义。空气净化器是国际公认的净化室内空气的方法。现有的空气净化装置，基本以过滤和吸附两种方式进行空气的净化过程。对于过滤净化方式，只是除去了空气中的悬浮颗粒，对挥发性有机污染物和细菌等并无明显净化作用；而以活性炭等吸附性剂为基础的吸附净化方式，又涉及到吸附材料吸附饱和后的活化处理以及容易引起二次污染等问题，因而实际应用效果不甚理想。
TiO2光催化降解技术在这方面具有突出的优点。但当室内VOCs浓度较低时，空气中的有机污染物较难富集到TiO2表面，从而影响了TiO2光催化剂对室内低浓度挥发性有机物的光催化效率，导致光催化降解的效率低，不能有效实现低浓度挥发性有机物的降解；而空气净化器中使用的活性炭具有发达的比表面积，丰富的微孔径，比表面积可达1000-1600m2/g，微孔体积90％左右，其微孔孔径为等优点。由于活性炭具有大的比表面，所以经 常被用作TiO2光催化剂的载体。因此，将活性炭作为纳米TiO2光催化剂载体得到了一定的应用，将纳米TiO2稳定地负载于活性炭将成为未来最重要的研发和应用方向之一。
目前存有一种TiO2/ACF光催化剂的制备方法，其制备步骤在于：1)配置钛盐和尿素的混合溶液，搅拌；2)用双氧水浸泡活性炭纤维，然后洗涤、干燥；3)将处理过的活性炭纤维放入钛盐与尿素的混合液体中，加热搅拌，然后烘干；4)将烘干的活性炭纤维于氮气气氛中烧结，得到TiO2/ACF光催化剂。
目前存有一种TiO2/ACF光催化剂的制备方法，其主要要点包括：将预处理后的活性炭纤维浸渍于TiO2溶胶中，在一定温度下、使用一定频率的超声波处理；取出负载TiO2的活性炭纤维，充分干燥后焙烧，即得活性炭纤维负载TiO2复合光催化材料。
目前存有一种用于室内空气净化的纳米TiO2复合光催化剂的方法，其主要要点是使用SiO2溶胶作为粘结剂，将悬浮的TiO2粒子固定于活性炭，形成一种复合光催化剂。
在前两个方法中，使用了溶胶-凝胶法制备的纳米TiO2作为光催化剂来源，但所形成的TiO2涂层是无孔结构、比表面积小，光催化性能差；同时，凝胶溶胶法制备的TiO2涂层与活性炭载体的结合力也比较弱，容易脱落，影响实际使用效果。第三个方法使用SiO2溶胶粘结剂，所得涂层中纳米TiO2处于严重的聚集状态，并且粘结剂会包覆在纳米TiO2颗粒表面，大大降低了TiO2材料的光催化效果。因此，提高TiO2光催化性能、保证TiO2在使用过程中不易从载体上脱落下来，是亟待解决的问题。
另外，空气净化器通常包括三四层或者五层以上滤网，一般为初效滤网、HEPA滤网、活性炭过滤网及光催化剂层，多层结构会使风阻增加，随之能耗将增加，同时也会增加空气净化器的噪音。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于空气净化的光催化剂涂层结构及其制备方法，以解决上述技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种用于空气净化的光催化剂涂层结构，包括一由活性炭构成的基体，其特征在于，所述基体的外表面负载有纳米TiO2涂层，所述纳米TiO2涂层的重量是基体重量的5-30％。
本发明的涂层结构具有单一涂层，而不是复合涂层，也没有粘结剂包覆在TiO2表面的现象。本发明可通过吸附-光催化双功能，实现有机微污染物深度净化，具有优异的光催化效应；同时具有抗菌杀菌的效果，对人体无毒，不需要更换再生。
把活性炭和TiO2合二为一，可以减少空气净化器中过滤层数，有效减小风阻；同时由于TiO2与活性炭二者存在显著协同作用：活性炭可提高TiO2的光催化活性，加快TiO2对有机污染物的光催化降解速度；同时，纳米TiO2可提高活性炭的吸附性能，宏观上表现为增加活性炭对有机物的平衡吸附量。
所述基体的外表面仅设有纳米TiO2涂层。
所述基体与所述纳米TiO2涂层之间不设有胶黏层。
所述纳米TiO2涂层包括平均粒径10～50nm的TiO2颗粒组成的纳米TiO2涂层。
所述纳米TiO2涂层中的TiO2为锐钛矿相，纯度不小于99％。在紫外光的激发下可以引发光催化反应。锐钛矿相的TiO2其催化活性高，而当金红石相的TiO2出现时，其催化活性降低。
所述的纳米TiO2涂层为无色的和/或透明的。无色和/或透明的涂层具有高的透光率，可以有效地通过紫外光和可见光。
所述活性炭可以是颗粒、棒体、纤维、中空微球。
所述基体的比表面积在100-2000m2/g范围内。
制备光催化剂涂层结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将活性炭构成的基体进行预处理；
步骤二、将线性钛氧聚合物溶解在溶剂中配成溶液；
步骤三、将线性钛氧聚合物溶液施加到基体上，干燥、在400～550℃烧结，线性钛氧聚合物经烧结后获得纳米TiO2涂层，进而得到光催化剂涂层结构。
活性炭基体上以线性钛氧聚合物作为TiO2来源所形成的TiO2光催化剂涂 层结构。本发明采用的线性钛氧聚合物，一是作为钛源，二是做为表面改性剂，提高液体在活性炭上的附着力，所以在活性炭上负载光催化剂TiO2时，不需要在线性钛氧聚合物溶液中添加粘结剂，即可牢固地负载于活性炭上。与已知的专利相比，本发明的涂层结构具有单一涂层，而不是复合涂层，也没有粘结剂包覆在TiO2表面的现象。通过使用本发明的线性钛氧聚合物在活性炭上负载TiO2，既解决了通常方法制备的TiO2涂层结构中TiO2负载量少、粘结不牢固的问题，又解决了TiO2光催化效率低的问题。
步骤一中，将活性炭构成的基体用蒸馏水浸泡、然后超声，超声后于50-100℃烘干。步骤一中对活性炭进行预处理，以除去表面的灰份和其它杂质。
步骤二中，所述溶剂包括具有2～5个碳原子的一元醇或二元醇、具有3～8个碳原子的乙二醇单醚、甲苯或二甲苯中的至少一种中，线性钛氧聚合物可分子级别分散在其中，溶液浓度可控，以钛计，为0.3～2重量％。负载量可控而且可以比较大，比如在TiO2/AC上负载量可以达到30％以上。光催化剂涂层结构统称为TiO2/AC。
其中，步骤三中所述的线性钛氧聚合物，是以重复的Ti-O键为主链、侧基上连接有机基团的线性钛氧聚合物，其包含以下的结构单元：
其中R1彼此独立地选自-C2H5,-C3H7,-C4H9,-C5H11；R2代表OR1或者代表选自CH3COCHCOCH3和CH3COCHCOOC2H5的络合基团；线性钛氧聚合物中基于R2基团的总量，至少有50％的R2基团代表所述的络合基团。所述线性钛氧聚合物以蒸气压渗透法测定的数均分子量为2000～3000；所述线性钛氧聚合物不含溶剂的纯钛氧聚合物具备软化点，环球法测定的软化点范围为90～127℃。
步骤三中，将线性钛氧聚合物的溶液施加到基体上，然后在400～550℃、优选450～520℃，进行烧结。纳米TiO2是在惰性气氛中、400～550℃进行烧结得到的。该步骤对涂覆在活性炭表面的线性钛氧化物涂层进行热处理，将线性钛氧聚合物分解成纳米TiO2，加速纳米TiO2颗粒在活性炭表面的扩散渗 透作用，增加其与活性炭的结合牢固程度。烧结时间通常为0.5～3小时，优选0.5～1.5小时。
其中步骤中线性钛氧聚合物溶液施加到基体上的方法有喷涂、超声浸渍等。
所形成的TiO2颗粒优选具有10～50nm、特别是20～30nm的平均粒径。
所形成的TiO2为锐钛矿相，在紫外光的激发下可以引发光催化发应。锐钛矿相的TiO2其催化活性高，而当金红石相TiO2出现时，其催化活性降低。
由本发明方法制备的光催化剂涂层结构中，优选TiO2涂层为无色的和/或透明的。无色和/或透明的涂层具有高的透光率，可以有效地通过紫外光和可见光。
本发明的光催化剂涂层结构可以有效地利用紫外光降解有机污染物、无机物、抗菌、杀菌、防霉等。
根据本发明，在活性炭上形成纳米TiO2光催化剂涂层，制备方法简单，流程简便，有利于大规模应用和生产，可在光催化剂环保领域得到广泛应用。
该光催化剂涂层结构在空气净化方面的应用，包括分解空气中的挥发性有机物，同时可以杀菌抗菌，可以用于室内空气净化器、医用空气净化器、工业用空气净化器、工程用空气净化器等。
有益效果：本发明制备的线性钛氧聚合物可以做为纳米TiO2来源，也可以做为表面改性剂，其可分子级别地分散在溶剂中，成膜性好，通过简单的浸渍、喷涂等即可在活性炭进行均匀负载，并能提高涂层在活性炭基体上的附着力。如背景技术部分所述，现有技术中TiO2光催化剂通过使用粘合剂将TiO2涂层与活性炭结合在一起，TiO2颗粒易团聚，或被粘合剂包围，导致催化性能差。采用本发明制备的线性钛氧聚合物涂覆活性炭，热解后得到了纳米TiO2涂层结构，涂层均匀、TiO2颗粒不团聚、TiO2负载量增加，光催化效率高，同时在不使用粘合剂的情况下，TiO2颗粒与活性炭的粘附力也很高，克服了现有技术的缺点。由于活性炭的独特结构，对于光催化降解有机物的活性有促进作用。活性炭具有大的表面积，能为TiO2提供更多的附着点，提高污染物的降解效率。实验证明在紫外光下对甲基橙有很好的降解能力；同时，具有抗菌、杀菌功能，并且可持久使用。
附图说明
图1为本发明光催化剂涂层的一种结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。
参见图1，一种用于空气净化的光催化剂涂层结构，包括一由活性炭构成的基体1，基体1的外表面负载有纳米TiO2涂层2，纳米TiO2涂层2的重量是基体1重量的5-30％。本发明的涂层结构具有单一涂层，而不是复合涂层，也没有粘结剂包覆在TiO2表面的现象。本发明可通过吸附-光催化双功能，实现有机微污染物深度净化，具有优异的光催化效应；同时具有抗菌杀菌的效果，对人体无毒，不需要更换再生。把活性炭和TiO2合二为一，可以减少空气净化器中过滤层数，有效减小风阻；同时由于TiO2与活性炭二者存在显著协同作用：活性炭可提高TiO2的光催化活性，加快TiO2对有机污染物的光催化降解速度；同时，纳米TiO2可提高活性炭的吸附性能，宏观上表现为增加活性炭对有机物的平衡吸附量。
纳米TiO2涂层包括平均粒径10～50nm的TiO2颗粒组成的纳米TiO2涂层。纳米TiO2涂层中的TiO2为锐钛矿相，纯度不小于99％。在紫外光的激发下可以引发光催化反应。锐钛矿相的TiO2其催化活性高，而当金红石相的TiO2出现时，其催化活性降低。的纳米TiO2涂层为无色的和/或透明的。无色和/或透明的涂层具有高的透光率，可以有效地通过紫外光和可见光。活性炭可以是颗粒、棒体、纤维、中空微球。基体的比表面积在100-2000m2/g范围内。
制备光催化剂涂层结构的方法，包括如下步骤：
步骤一、将活性炭构成的基体进行预处理；
步骤二、将线性钛氧聚合物溶解在溶剂中配成溶液；
步骤三、将线性钛氧聚合物溶液施加到基体上，干燥、在400～550℃烧结，线性钛氧聚合物经烧结后获得纳米TiO2涂层，进而得到光催化剂涂层结构。
活性炭基体上以线性钛氧聚合物作为TiO2来源所形成的TiO2/AC光催化剂涂层结构。本发明采用的线性钛氧聚合物，一是作为钛源，二是做为表面 改性剂，提高液体在活性炭上的附着力，所以在活性炭上负载光催化剂TiO2时，不需要在线性钛氧聚合物溶液中添加粘结剂，即可牢固地负载于活性炭上。与已知的专利相比，本发明的涂层结构具有单一涂层，而不是复合涂层，也没有粘结剂包覆在TiO2表面的现象。通过使用本发明的线性钛氧聚合物在活性炭上负载TiO2，既解决了通常方法制备的TiO2涂层结构中TiO2负载量少、粘结不牢固的问题，又解决了TiO2光催化效率低的问题。
其中，步骤三中的线性钛氧聚合物，是以重复的Ti-O键为主链、侧基上连接有机基团的线性钛氧聚合物，其包含以下的结构单元：
其中R1彼此独立地选自-C2H5,-C3H7,-C4H9,-C5H11；R2代表OR1或者代表选自CH3COCHCOCH3和CH3COCHCOOC2H5的络合基团；线性钛氧聚合物中基于R2基团的总量，至少有50％的R2基团代表的络合基团。线性钛氧聚合物以蒸气压渗透法测定的数均分子量为2000～3000；线性钛氧聚合物不含溶剂的纯钛氧聚合物具备软化点，环球法测定的软化点范围为90～127℃。
本发明的光催化剂涂层结构，统称为TiO2/AC光催化剂涂层结构。
实施例1 TiO2/AC光催化剂涂层结构的制备
将5g中空碳微球用蒸馏水浸泡、然后超声，超声后于100℃烘干；然后将线性钛氧聚合物溶解在溶剂中，配制成一定浓度的溶液，其中以钛计，浓度为1.0重量％；将配制好的线性钛氧聚合物溶液加入到活性炭中，干燥，在500℃烧结1小时，得到纳米TiO2负载量为6.5重量％的纳米TiO2/AC光催化剂涂层结构。
将中空碳微球、TiO2/AC光催化剂进行紫外光照下的光降解实验。取以上的涂层结构各1.0000g，加入到50ml甲基橙溶液中(浓度15mg/L)，用500W汞灯光照5小时后，甲基橙溶液几乎完全降解。而活性炭，甲基橙浓度降到一定数值就不再变化，可知处理效果来源于活性炭的吸附特性。TiO2/AC具有显著的光催化性能。
实施例2 TiO2/AC光催化剂涂层结构的制备
将5g活性炭颗粒用蒸馏水浸泡、然后超声，超声后于100℃烘干；然后将线性钛氧聚合物溶解在溶剂中，配制成一定浓度的溶液，其中以钛计，浓度为0.8重量％；将配制好的线性钛氧聚合物溶液加入到活性炭中，干燥，在500℃烧结1小时，得到纳米TiO2负载量为5.0重量％的纳米TiO2/AC光催化剂涂层结构。
实施例3 TiO2-AC光催化剂涂层结构的制备
将5g活性炭颗粒用蒸馏水浸泡、然后超声，超声后于100℃烘干；然后将线性钛氧聚合物溶解在溶剂中，配制成一定浓度的溶液，其中以钛计，浓度为1.5重量％；将配制好的线性钛氧聚合物溶液加入到活性炭中，干燥，在480℃烧结1小时，得到纳米TiO2负载量为9.8重量％的纳米TiO2/AC光催化剂涂层结构。
光催化剂涂层结构在空气净化方面的应用，包括分解空气中的挥发性有机物，同时可以杀菌抗菌，可以用于室内空气净化器、医用空气净化器、工业用空气净化器、工程用空气净化器等。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种用于空气净化的光催化剂涂层结构，包括一由活性炭构成的基体，其特征在于，所述基体的外表面负载有纳米TiO2涂层，所述纳米TiO2涂层的重量是基体重量的5-30％。
2.根据权利要求1所述的一种用于空气净化的光催化剂涂层结构，其特征在于：所述纳米TiO2涂层包括平均粒径10～50nm的TiO2颗粒组成的纳米TiO2涂层。
3.根据权利要求1所述的一种用于空气净化的光催化剂涂层结构，其特征在于：所述纳米TiO2涂层中的TiO2为锐钛矿相，纯度不小于99％。
4.根据权利要求1所述的一种用于空气净化的光催化剂涂层结构，其特征在于：所述纳米TiO2涂层为无色的或透明的。
5.根据权利要求1所述的一种用于空气净化的光催化剂涂层结构，其特征在于：所述活性炭是颗粒、棒体、纤维、中空微球中的任意一种。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的光催化剂涂层结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将活性炭构成的基体进行预处理；
步骤二、将线性钛氧聚合物溶解在溶剂中配成溶液；
步骤三、将线性钛氧聚合物溶液施加到基体上，干燥、在400～550℃烧结，线性钛氧聚合物经烧结后获得纳米TiO2涂层，进而得到光催化剂涂层结构。
7.根据权利要求6所述的光催化剂涂层结构的制备方法，其特征在于：步骤一，将活性炭构成的基体用蒸馏水浸泡、然后超声，超声后于50-100℃烘干。
8.根据权利要求6所述的光催化剂涂层结构的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述溶剂包括具有2～5个碳原子的一元醇或二元醇、具有3～8个碳原子的乙二醇单醚、甲苯或二甲苯中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的光催化剂涂层结构的制备方法，其特征在于：步骤三中，将线性钛氧聚合物的溶液施加到基体上，然后在450～520℃，进行烧结。
10.根据权利要求6所述的光催化剂涂层结构的制备方法，其特征在于：烧结时间为0.5～3小时。
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