CN108787370A - 一种黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法,将有机物、表面活性剂、二氧化钛纳米粒子和溶剂混合配制喷涂原料悬浮液;采用等离子喷涂工艺,将喷涂原料悬浮液喷涂沉积至基体表面,得到所述黑色二氧化钛可见光催化涂层;所述有机物选自聚乙烯基吡咯烷酮和/或聚丙烯酰胺;所述有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比为1:1~10。本发明通过向喷涂原料中加入有机物,并对有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比,以及喷涂工艺参数的精确控制,首次通过热喷涂工艺获得黑色二氧化钛涂层,制备工艺简单、可控,危险性低且成本低。
Description
技术领域
本发明涉及光催化材料的技术领域,具体涉及一种黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法。
背景技术
工业发展以来随着数次的环境危机,环境污染问题由于威胁整个生态环境和人们生活安全已经成为亟待解决的重大问题之一。人们也尝试过很多途径去处理工业废物,解决环境污染问题,比如焚烧法,填埋法,物理吸附方法等。但这些方法都不能从根本上解决工业污染带来的环境问题甚至会带来二次污染。在这种情况下,清洁能源的概念便被提出。清洁能源广义上指在开发和利用过程中对环境零污染或者只会对环境产生极低污染的能源。清洁能源的大力发展有助于提供充足的能源保障,同时还可以改善环质量,对于经济和社会发展战略意义重大。目前己经开发出的清洁能源主要包括太阳能、海洋能、生物质能、潮汐能、地热能、核能等。其中太阳能作为地球上来源最广泛的清洁能源,其有效的利用将为解决环境污染问题提供巨大的帮助。
而光催化技术作为一种新兴的绿色的催化氧化技术在利用太阳能解决环境污染方面显现出极其广阔的应用前景。光催化氧化技术的一个关键材料就是催化剂。因此,人们对催化剂的研究也日趋深入。自从1972年Fujishima等人首次发现,当二氧化钛作为电极时,在紫外光辐射条件下水可以被分解析出氢气的现象之后,二氧化钛材料被广泛的研究,并在光伏电池、传感器以及光催化等领域都表现出了极大的应用潜力。因此基于二氧化钛的材料性能和应用研究也不断发展。然而,二氧化钛的带隙较宽(3.2eV),其导电性较弱。较宽的带隙导致其电子空穴对的分离与传输能力不足,这对二氧化钛的广泛应用造成了局限。
经过十多年对其形貌,结构,组成,催化特性以及制备方法的研究,多种多样的二氧化钛基可见光催化剂被制备研究,如金属和非金属掺杂的二氧化钛、黑色二氧化钛、敏化型二氧化钛,以及复合半导体纳米材料,通过多种多样的方式,多种多样的手段使得这些二氧化钛作为光催化材料在可见光甚至是近红外光范围内的响应明显增强。同时,这些材料得到的途径也多种多样,包括水热法、溶凝胶法、化学剂及物理气相沉积法等。
其中,黑色二氧化钛的研究对于减小二氧化钛的间隙以及增强它的可见光响应显示出极大的突破。黑色二氧化钛的系统研究起源于2011年Xiaobo Chen等人在《Science》杂志上报道了氢化黑色二氧化钛的制备,由此开启了黑色二氧化钛研究的热潮。根据大量的理论研究,大量Ti3+与氧空位的引入造成了黑色二氧化钛极高的催化性能和较好的光响应特性。由于Xiaobo Chen等人的研究过程中是在高温高压下完成黑色二氧化钛的制备。这种制备方法具有较大的安全隐患和能量消耗,所以一系列具有代表性的相对安全的方法也被报道出来,如常压氢气还原法,铝热还原法,溶液蒸发法等。在铝热还原法制备黑色二氧化钛的研究中还出现了对于提高二氧化钛的吸附和催化性能有极大帮助的核壳结构。但是这些方法还是对设备要求较高,而且操作难度和安全隐患也不能完全避免和解决。
因此,寻找新的较为安全简便适合大规模实用的方法制备黑色二氧化钛材料具重要意义。
发明内容
本发明公开了一种通过等离子喷涂工艺制备黑色二氧化钛可见光催化涂层的方法,操作工艺灵活、安全可控,克服了传统黑色二氧化钛材料准备过程中工艺复杂、成本高、实验精度要求高以及安全隐患大的缺点,同时可以保证纳米二氧化钛在喷涂过程中从锐钛矿相到金红石相的相变减少,保障其良好的催化性能。
具体技术方案如下:
一种黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法,采用等离子喷涂工艺制备得到,具体为:
(1)将有机物、表面活性剂、二氧化钛纳米粒子和溶剂混合,分散均匀后得到喷涂原料悬浮液;
所述有机物选自聚乙烯基吡咯烷酮和/或聚丙烯酰胺;
所述有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比为1:1~10;
(2)采用等离子喷涂工艺,将所述喷涂原料悬浮液喷涂沉积至基体表面,得到所述黑色二氧化钛可见光催化涂层。
事实上,本发明的发明人一直致力于通过热喷涂工艺制备各种氧化物涂层,也已成功通过火焰喷涂制备得到普通二氧化钛(白色)涂层(专利号ZL201110324750.0)的中国专利文献。而在本申请中,发明人通过向喷涂原料中加入有机物,并对有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比,以及喷涂工艺参数的精确控制,首次通过热喷涂工艺获得黑色二氧化钛涂层。
二氧化钛纳米粒子作为一种纳米粉末不能直接作为热喷涂喂料,一方面,由于纳米颗粒粒径小,质量轻,喷涂过程中易团聚而堵塞送粉管,难以在基材上沉积成致密的涂层,另一方面,纳米粉末比表面积大,粉体活性高,较高的热输入使得晶粒容易长大和发生不可逆的相变而失去原有的性质。
本发明中将原始纳米粉末制成悬浮液前驱体作为喷涂原料进行涂层制备,避免了传统等离子喷涂工艺中纳米颗粒粒径小,质量轻,喷涂过程中易团聚而堵塞送粉管的问题,此外液相的存在起到了缓冲作用,有效避免了晶粒长大和光催化活性较高的锐钛矿相向催化性能较差的金红石相的转变。优选地,喷涂原料悬浮液中,所述二氧化钛纳米粒子包括锐钛矿相二氧化钛纳米粒子,晶粒大小控制在15~50nm。
本发明中,聚乙烯基吡咯烷酮和/或聚丙烯酰胺的加入对于等离子喷涂的喂料、涂层的形成和在基体上的有效沉积,以及对黑色二氧化钛的晶相组成都有重要作用。一方面悬浮液作为液相前驱体其稳定性较好不易团聚;另一方面,喷涂过程中,聚乙烯基吡咯烷酮和/或聚丙烯酰胺吸收焰流热量,包覆TiO2颗粒,减少其受热量,降低晶型转变程度,同时有利于形成吸附能力强催化面积大的多孔结构;而且喷涂后,残留下来的聚乙烯基吡咯烷酮和/或聚丙烯酰胺能改善复合涂层的稳定性和力学性能。形成后的涂层不同于以往的光催化材料可以很容易地从催化体系中回收,避免了二次污染的出现。
所述喷涂原料悬浮液中,有机物和表面活性剂有利于纳米颗粒在悬浮液中的均匀分散,利于形成稳定的液料体系。
步骤(1)中:
优选地,所述表面活性剂选自聚乙二醇、椰油酸二乙醇酰胺、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种;
所述溶剂选自乙醇-水的混合溶剂,乙醇与水的体积比为0.25~4:1。
进一步优选,所述喷涂原料悬浮液中,有机物的质量百分含量为0.5~2.5%,表面活性剂的质量百分比含量为0.1~0.8%,二氧化钛纳米粒子的质量百分含量为2.5~8.0%。
再优选:
所述有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比为1:2.5~10;
所述喷涂原料悬浮液中,有机物的质量百分含量为0.6~2.5%,表面活性剂的质量百分比含量为0.15~0.65%,二氧化钛纳米粒子的质量百分含量为5.6~6.5%。
步骤(2)中:
优选地:
所述等离子喷涂工艺,具体工艺参数为:
等离子喷涂的电压为40~65V,电流为400~600A;
主气体为氩气,压力为0.7~0.8MPa;次气体为氢气,压力为0.25~0.33MPa;
喷涂功率为25~36KW,喷涂距离为7~12mm。
进一步优选:
所述等离子喷涂的电压为50~60V,电流为500~600A;
所述氩气的压力为0.75MPa,氢气的压力为0.3MPa。
优选地,所述喷涂原料悬浮液采用蠕动泵送料,进料速度为60~100ml/min;枪头移动速度和位置通过机械手控制,枪头移动速度为200~400mm/s;喷涂遍数为1~4遍。
优选地,所述基体选自氧化铝、304不锈钢、316不锈钢、抛光硅片或陶瓷片。
所述基体使用前还需进行预处理,包括清洗、干燥与喷砂处理。
本发明通过对等离子喷涂工艺中加入的有机物的品种,并对该特定有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比,以及喷涂工艺参数的精确控制,制备得到了黑色二氧化钛涂层。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
(1)本发明通过等离子喷涂工艺,将纳米TiO2混合分散在含有特殊种类的有机物的溶液里形成均匀的悬浮液直接送入等离子火焰,克服了纳米因颗粒太小易于团聚堵塞枪口等缺点,减少了喷涂过程中,纳米颗粒受热发生晶粒长大,晶型转变等过程;其中特殊有机物的存在可以在悬浮液前驱体中有利于均匀稳定液相的形成,在喷涂过程中,形成包裹,保护二氧化钛,在沉积的涂层上来看,有机物的挥发分解有利于多孔微观结构的形成,有利于发挥其吸附性能和保持较高的光催化活性;
(2)本发明采用悬浮液等离子喷涂的方法将黑色二氧化钛沉积成具有一定结合强度的涂层,克服了传统制备方法中,黑色二氧化钛粉末的颗粒小不利于回收的缺点,更利于绿色光催化的实现。此外,和其他制备方法相比,等离子喷涂具有工艺稳定,可控性强,安全性高,工艺简单,更利于大规模产量化生产等优点。
附图说明
图1为本发明黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备流程图;
图2为实施例1制备的黑色二氧化钛可见光催化涂层的表面微观形貌图(a),并给出对比例1制备的白色二氧化钛的涂层微观形貌图(b)作为对比;
图3为实施例1制备的黑色二氧化钛可见光催化涂层的XRD特征谱图;
图4为实施例1制备的黑色二氧化钛可见光催化涂层的可见光催化降解亚甲基蓝效果曲线(b),并给出对比例1制备的白色二氧化钛涂层可见光催化降解亚甲基蓝效果曲线(a)作为对比。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述,需要指出的是,以下实施例旨在便于对本发明的理解,而对其不起任何限定作用。
实施例1
本实施例中,选择基体材料为厚度约2mm的不绣钢片,该基体上黑色二氧化钛可见光催化涂层厚度约为20μm,蓬松多孔的二氧化钛涂层肉眼观察呈黑色,可见光下对亚甲基蓝的降解率可达百分之八十以上。该黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备流程如图1所示,具体制备方法如下:
1、首先取1L的洁净烧杯一只,向其中加入300mL去离子水和300mL无水乙醇,在超声清洗仪中均匀混合。称取3g聚乙二醇(分子量2000,国药CAS:25322-68-3)和12g聚乙烯基吡咯烷酮(杭州绿科科技开发有限公司,PVP K30)加入到无水乙醇和去离子水的混合溶液中,搅拌并超声分散使其溶解。完全溶解后,缓慢地向混合溶液中加入30g P25粉末继续机械搅拌并超声分散60min,得到均匀稳定的前驱体悬浮液。
2、将基体依次用去离子水、丙酮、酒精进行清洗数次去除油污,80℃烘干,然后使用150~220μm的SiO2砂对不锈钢基体进行喷砂处理;
3、等离子的喷涂电压为60V,压力电流为500A,主气体为氩气,压力为0.75MPa;次气体为氢气,压力为0.3MPa;喷涂功率为30KW;喷涂距离为7.5cm;蠕动泵的送料速度为90mL/min;枪头移动速度和位置通过机械手控制,枪头移动速度为250mm/s喷涂遍数为2遍。
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌,为提高电镜观察效果,对样品表面喷Au以增强其导电性。图2中,(a)为本实施例中制得的涂层表面SEM照片,由图可见,二氧化钛通过等离子喷涂后在基体表面形成均匀多孔的微观结构,这些均匀的孔隙结构对涂层的吸附性能的提高有重要意义,而且由于增加了表面积可以提高催化效率。
(2)涂层表面晶相组成:利用X射线衍射分析仪(XRD)检测涂层表面二氧化钛的晶相组成,由XRD谱图可知,黑色二氧化钛的涂层中二氧化钛的主要晶型仍为锐钛矿型。这表明等离子喷涂过程中液相的保护减少了晶型转变,有利于保证较好的催化效果。
(3)光催化降解亚甲基蓝实验:通过对加入本实施例制备的黑色二氧化钛涂层的亚甲基蓝溶液在可见光照射不同时间的吸光度的测试,评价涂层光催化降解有机污染物的效果,图4曲线(b),添加了黑色二氧化钛涂层的溶液吸附效果明显且经过六个小时可见光照催化后,降解率达到了百分之八十以上,显示出良好的光催化性能。
对比例1
本对比例中,选择基体材料为厚度约2mm的不绣钢片,该基体上二氧化钛涂层厚度约为20μm,肉眼观察呈白色。具体制备方法如下:
1、首先取1L的洁净烧杯一只,向其中加入300mL去离子水和300mL无水乙醇,在超声清洗仪中均匀混合。称取0.5g聚乙二醇和1g聚乙烯基吡咯烷酮加入到无水乙醇和去离子水的混合溶液中,搅拌并超声分散使其溶解。完全溶解后,缓慢地向混合溶液中加入35gP25粉末继续机械搅拌并超声分散60min,得到均匀稳定的前驱体悬浮液。
2、将基体依次用去离子水、丙酮、酒精进行清洗数次去除油污,80℃烘干,然后使用150~220μm的SiO2砂对不锈钢基体进行喷砂处理;
3、等离子的喷涂电压为50V,压力电流为600A,主气体为氩气,压力为0.75MPa;次气体为氢气,压力为0.3MPa;喷涂功率为30KW;喷涂距离为13cm;蠕动泵的送料速度为90mL/min;枪头移动速度和位置通过机械手控制,枪头移动速度为500mm/s喷涂遍数为2遍。
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌,为提高电镜观察效果,对样品表面喷Au以增强其导电性。图2中,(b)为采用等离子喷涂制备的表观为白色的二氧化钛涂层的形貌,可以看到涂层微观表面同样均匀多孔,但是孔深相对较小。
(2)涂层表面晶相组成:利用X射线衍射分析仪(XRD)检测涂层表面二氧化钛的晶相组成,白色涂层由于等离子喷涂过程中液相的保护相变也比较少。
(3)光催化降解亚甲基蓝实验:通过对加入本对比例制备的白色二氧化钛涂层的亚甲基蓝溶液在可见光照射不同时间的吸光度的测试,评价涂层光催化降解有机污染物的效果,图4曲线(a),添加了本对比例制备的白色二氧化钛涂层的溶液吸附效果明显不如实例1中黑色二氧化钛涂层的光催化及吸附效果。
对比例2
本对比例中,选择基体材料为厚度约2mm的陶瓷片,该基体上二氧化钛涂层厚度约为20μm,肉眼观察呈白色。具体制备方法如下:
1、首先取1L的洁净烧杯一只,向其中加入300mL去离子水和300mL无水乙醇,在超声清洗仪中均匀混合。称取0.5g聚乙二醇和1g聚乙烯基吡咯烷酮加入到无水乙醇和去离子水的混合溶液中,搅拌并超声分散使其溶解。完全溶解后,缓慢地向混合溶液中加入35gP25粉末继续机械搅拌并超声分散60min,得到均匀稳定的前驱体悬浮液。
2、将基体依次用去离子水、丙酮、酒精进行清洗数次去除油污,80℃烘干,然后使用150~220μm的SiO2砂对不锈钢基体进行喷砂处理;
3、等离子的喷涂电压为40V,压力电流为550A,主气体为氩气,压力为0.75MPa;次气体为氢气,压力为0.3MPa;喷涂功率为22KW;喷涂距离为6cm;蠕动泵的送料速度为50mL/min;枪头移动速度和位置通过机械手控制,枪头移动速度为500mm/s喷涂遍数为3遍。
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌,为提高电镜观察效果,对样品表面喷Au以增强其导电性。该方法制备的白色二氧化钛涂层基本不具备多孔微观结构。
(2)涂层表面晶相组成:利用X射线衍射分析仪(XRD)检测涂层表面二氧化钛的晶相组成,白色涂层由于等离子喷涂过程中液相的保护相变也比较少,主要是锐钛矿相结构。
(3)光催化降解亚甲基蓝实验:通过对加入本对比例制备的白色二氧化钛涂层的亚甲基蓝溶液在可见光照射不同时间的吸光度的测试,评价涂层光催化降解有机污染物的效果,添加了本对比例制备的白色二氧化钛涂层的溶液吸附效果明显不如实例1中黑色二氧化钛涂层的光催化及吸附效果,经过相同时间后只有百分之三十左右的降解率。
对比例3
本对比例中,选择基体材料为厚度约2mm的陶瓷片,该基体上二氧化钛涂层厚度约为20μm,肉眼观察呈白色。具体制备方法如下:
1、首先取1L的洁净烧杯一只,向其中加入150mL去离子水和450mL无水乙醇,在超声清洗仪中均匀混合。称取0.5g聚乙二醇和4g聚乙烯醇加入到无水乙醇和去离子水的混合溶液中,搅拌并超声分散使其溶解。完全溶解后,缓慢地向混合溶液中加入35g P25粉末继续机械搅拌并超声分散60min,得到均匀稳定的前驱体悬浮液。
2、将基体依次用去离子水、丙酮、酒精进行清洗数次去除油污,80℃烘干,然后使用150~220μm的SiO2砂对不锈钢基体进行喷砂处理;
3、等离子的喷涂电压为60V,压力电流为500A,主气体为氩气,压力为0.75MPa;次气体为氢气,压力为0.3MPa;喷涂功率为30KW;喷涂距离为8cm;蠕动泵的送料速度为50mL/min;枪头移动速度和位置通过机械手控制,枪头移动速度为400mm/s喷涂遍数为2遍。
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌,为提高电镜观察效果,对样品表面喷Au以增强其导电性。该方法制备的白色二氧化钛涂层基本不具备多孔微观结构。
(2)涂层表面晶相组成:利用X射线衍射分析仪(XRD)检测涂层表面二氧化钛的晶相组成,白色涂层由于等离子喷涂过程中液相的保护相变也比较少,主要是锐钛矿相结构。
(3)光催化降解亚甲基蓝实验:通过对加入本对比例制备的白色二氧化钛涂层的亚甲基蓝溶液在可见光照射不同时间的吸光度的测试,评价涂层光催化降解有机污染物的效果,添加了本对比例制备的白色二氧化钛涂层的溶液吸附效果明显不如实例1中黑色二氧化钛涂层的光催化及吸附效果,经过相同时间后只有百分之三十五左右的降解率。
实施例2
本实施例中,选择基体材料为厚度约2mm的不绣钢片,该基体上黑色二氧化钛可见光催化涂层厚度约为30μm,蓬松多孔的二氧化钛涂层肉眼观察呈黑色。具体制备方法如下:
1、首先取1L的洁净烧杯一只,向其中加入300mL去离子水和300mL无水乙醇,在超声清洗仪中均匀混合。称取3g椰油酸二乙醇酰胺和10g聚丙烯酰胺加入到无水乙醇和去离子水的混合溶液中,搅拌并超声分散使其溶解。完全溶解后,缓慢地向混合溶液中加入35gP25粉末继续机械搅拌并超声分散60min,得到均匀稳定的前驱体悬浮液。
2、将基体依次用去离子水、丙酮、酒精进行清洗数次去除油污,80℃烘干,然后使用150~220μm的SiO2砂对不锈钢基体进行喷砂处理;
3、等离子的喷涂电压为60V,压力电流为600A,主气体为氩气,压力为0.75MPa;次气体为氢气,压力为0.3MPa;喷涂功率为36KW;喷涂距离为7cm;蠕动泵的送料速度为90mL/min;枪头的移动速度为400mm/s喷涂遍数为1遍。
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌,为提高电镜观察效果,对样品表面喷Au以增强其导电性。形成的黑色二氧化钛通过等离子喷涂后在基体表面形成均匀多孔的微观结构。
(2)涂层表面晶相组成:利用X射线衍射分析仪(XRD)检测涂层表面二氧化钛的晶相组成,由XRD谱图可知,二氧化钛的涂层中锐钛矿仍为主要晶型,有利于保证较好的催化效果。
(3)光催化降解亚甲基蓝实验:通过对有涂层作用的亚甲基蓝溶液在可见光照射不同时间的吸光度的测试,经测试发现涂层显示出良好的光催化性能。
实施例3
本实施例中,选择基体材料为厚度约3mm的陶瓷片,该基体上黑色二氧化钛可见光催化涂层厚度约为20μm,在该涂层中,蓬松多孔的二氧化钛涂层肉眼观察呈黑色。具体制备方法如下:
1、首先取1L的洁净烧杯一只,向其中加入150mL去离子水和450mL无水乙醇,在超声清洗仪中均匀混合。称取0.8g聚乙二醇和3.2g聚乙烯基吡咯烷酮加入到无水乙醇和去离子水的混合溶液中,搅拌并超声分散使其溶解。完全溶解后,缓慢地向混合溶液中加入32gP25粉末继续机械搅拌并超声分散60min,得到均匀稳定的前驱体悬浮液。
2、将基体依次用去离子水、丙酮、酒精进行清洗数次去除油污,80℃烘干,然后使用150~220μm的SiO2砂对不锈钢基体进行喷砂处理;
3、等离子的喷涂电压为50V,压力电流为500A,主气体为氩气,压力为0.75MPa;次气体为氢气,压力为0.3MPa;喷涂功率为25KW;喷涂距离为10cm;蠕动泵的送料速度为95mL/min;枪头的移动速度为400mm/s喷涂遍数为2遍。
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌,为提高电镜观察效果,对样品表面喷Au以增强其导电性。形成的黑色二氧化钛通过等离子喷涂后在基体表面形成均匀多孔的微观结构。
(2)涂层表面晶相组成:利用X射线衍射分析仪(XRD)检测涂层表面二氧化钛的晶相组成,由XRD谱图可知,二氧化钛的涂层中锐钛矿仍为主要晶型,有利于保证较好的催化效果。
(3)光催化降解亚甲基蓝实验:通过对有涂层作用的亚甲基蓝溶液在可见光照射不同时间的吸光度的测试,经测试发现涂层显示出良好的光催化性能。
实施例4
本实施例中,选择基体材料为厚度约3mm的陶瓷片,该基体上黑色二氧化钛可见光催化涂层厚度约为20μm,在该涂层中,蓬松多孔的二氧化钛涂层肉眼观察呈黑色。具体制备方法如下:
1、首先取1L的洁净烧杯一只,向其中加入300mL去离子水和300mL无水乙醇,在超声清洗仪中均匀混合。称取2g十二烷基苯磺酸钠和10g聚丙烯酰胺加入到无水乙醇和去离子水的混合溶液中,搅拌并超声分散使其溶解。完全溶解后,缓慢地向混合溶液中加入35gP25粉末继续机械搅拌并超声分散60min,得到均匀稳定的前驱体悬浮液。
2、将基体依次用去离子水、丙酮、酒精进行清洗数次去除油污,80℃烘干,然后使用150~220μm的SiO2砂对不锈钢基体进行喷砂处理;
3、等离子的喷涂电压为60V,压力电流为500A,主气体为氩气,压力为0.75MPa;次气体为氢气,压力为0.3MPa;喷涂功率为30KW;喷涂距离为8cm;蠕动泵的送料速度为60mL/min;枪头的移动速度为200mm/s喷涂遍数为4遍。
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌,为提高电镜观察效果,对样品表面喷Au以增强其导电性。形成的黑色二氧化钛通过等离子喷涂后在基体表面形成均匀多孔的微观结构。
(2)涂层表面晶相组成:利用X射线衍射分析仪(XRD)检测涂层表面二氧化钛的晶相组成,由XRD谱图可知,二氧化钛的涂层中锐钛矿仍为主要晶型,有利于保证较好的催化效果。
(3)光催化降解亚甲基蓝实验:通过对有涂层作用的亚甲基蓝溶液在可见光照射不同时间的吸光度的测试,经测试发现涂层显示出良好的光催化性能。
实施例5
本实施例中,选择基体材料为厚度约1mm的玻璃片,该基体上黑色二氧化钛可见光催化涂层厚度约为10μm,在该涂层中,蓬松多孔的二氧化钛涂层肉眼观察呈黑色。具体制备方法如下:
1、首先取1L的洁净烧杯一只,向其中加入400mL去离子水和100mL无水乙醇,在超声清洗仪中均匀混合。称取3g聚乙二醇和12g聚乙烯基吡咯烷酮加入到无水乙醇和去离子水的混合溶液中,搅拌并超声分散使其溶解。完全溶解后,缓慢地向混合溶液中加入30gP25粉末继续机械搅拌并超声分散60min,得到均匀稳定的前驱体悬浮液。
2、将基体依次用去离子水、丙酮、酒精进行清洗数次去除油污,80℃烘干,然后使用150~220μm的SiO2砂对不锈钢基体进行喷砂处理;
3、等离子的喷涂电压为55V,压力电流为500A,主气体为氩气,压力为0.75MPa;次气体为氢气,压力为0.3MPa;喷涂功率为27.5KW;喷涂距离为8cm;蠕动泵的送料速度为100mL/min;枪头的移动速度为300mm/s喷涂遍数为2遍。
(1)涂层表面形貌:利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)检测涂层表面微观形貌,为提高电镜观察效果,对样品表面喷Au以增强其导电性。形成的黑色二氧化钛通过等离子喷涂后在基体表面形成均匀多孔的微观结构。
(2)涂层表面晶相组成:利用X射线衍射分析仪(XRD)检测涂层表面二氧化钛的晶相组成,由XRD谱图可知,二氧化钛的涂层中锐钛矿仍为主要晶型,有利于保证较好的催化效果。
(3)光催化降解亚甲基蓝实验:通过对有涂层作用的亚甲基蓝溶液在可见光照射不同时间的吸光度的测试,经测试发现涂层显示出良好的光催化性能。
Claims (9)
1.一种黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法,其特征在于,采用等离子喷涂工艺制备得到,具体为:
(1)将有机物、表面活性剂、二氧化钛纳米粒子和溶剂混合,分散均匀后得到喷涂原料悬浮液;
所述有机物选自聚乙烯基吡咯烷酮和/或聚丙烯酰胺;
所述有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比为1:1~10;
(2)采用等离子喷涂工艺,将所述喷涂原料悬浮液喷涂沉积至基体表面,得到所述黑色二氧化钛可见光催化涂层。
2.根据权利要求1所述的黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法,其特征在于,步骤(1)中:
所述表面活性剂选自聚乙二醇、椰油酸二乙醇酰胺、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种;
所述二氧化钛纳米粒子包括锐钛矿相二氧化钛纳米粒子,粒径为15~50nm;
所述溶剂为乙醇-水混合溶剂,乙醇与水的体积比为0.25~4:1。
3.根据权利要求1所述的黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法,其特征在于,所述喷涂原料悬浮液中,有机物的质量百分含量为0.5~2.5%,表面活性剂的质量百分比含量为0.1~0.8%,二氧化钛纳米粒子的质量百分含量为2.5~8.0%。
4.根据权利要求1所述的黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法,其特征在于,所述有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比为1:2.5~10。
5.根据权利要求1所述的黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法,其特征在于,所述等离子喷涂工艺,具体工艺参数为:
等离子喷涂的电压为40~65V,电流为400~600A;
主气体为氩气,压力为0.7~0.8MPa;次气体为氢气,压力为0.25~0.33MPa;
喷涂功率为25~36KW,喷涂距离为7~12mm。
6.根据权利要求5所述的黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法,其特征在于,所述等离子喷涂的电压为50~60V,电流为500~600A;
所述氩气的压力为0.75MPa,氢气的压力为0.3MPa。
7.根据权利要求1所述的黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述喷涂原料悬浮液采用蠕动泵送料,进料速度为60~100ml/min;枪头移动速度和位置通过机械手控制,枪头移动速度为200~400mm/s;喷涂遍数为1~4遍。
8.根据权利要求1所述的黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述基体选自氧化铝、304不锈钢、316不锈钢、抛光硅片或陶瓷片。
9.根据权利要求8所述的黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法,其特征在于,所述基体使用前还需进行预处理,包括清洗、干燥与喷砂处理。
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