CN109012718A - 一种高性能复合光催化材料的制备方法 - Google Patents

一种高性能复合光催化材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种高性能复合光催化材料的制备方法，按照如下步骤：步骤1，将电气石粉加入至无水乙醇中，然后加入乙基纤维素，恒温超声30‑60min，得到分散悬浊液；步骤2，将醋酸锌加入至无水乙醇中，搅拌至完全溶解，然后缓慢滴加钛酸正丁酯，搅拌至完全溶解，形成混合溶液；步骤3，将混合溶液与分散悬浊液同时加入至超声反应釜中恒温超声10‑20min，然后微沸反应30‑60min，得到浓缩液；步骤4，将浓缩液加入蒸发皿中红外恒温烘干2‑4h，然后紫外光照反应2‑4h得到光催化材料。本发明解决了现有光催化剂存在光催化缺陷的问题，制备方法简单，光催化活性好，分散均匀。

Description

一种高性能复合光催化材料的制备方法
技术领域
本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种高性能复合光催化材料的制备方法。
背景技术
在众多的纳米金属氧化物中，氧化锌(ZnO)作为重要的半导体材料，具有较宽的能带间隙(3.37eV)和较高的激子结合能(60meV)，并且无毒，价格低廉，环境稳定性良好，在传感器，光伏材料，压电材料，细胞标记，蛋白质检测，紫外光检测等。而二氧化钛与氧化锌的带隙相同(E＝3.2eV)，二氧化钛也具有生物相容性，化学稳定性好等优点。
据报道，ZnO/TiO2复合材料中的ZnO和TiO2纳米粒子间具有耦合和协同作用，可以使ZnO的气敏、发光、光催化等性质有所增强和改善；还能降低TiO2光生电子和光生空穴的复合几率，提高光催化效果；同时，ZnO和TiO2之间的能级相近，其耦合及协同作用可拓宽光谱吸收范围，从而增加对可见光的利用率。目前，ZnO/TiO2复合材料的制备方法很多，有水热法，沉积-沉淀法，共沉淀法等。但共沉淀法制备过程中反应物沉淀过程较快、所得产物易发生硬团聚、产物粒度较大、影响光催化活性等缺陷；而水热法和沉积-沉淀法的制备过程繁琐，产物的形貌、尺寸不可控。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种高性能复合光催化材料的制备方法，解决了现有光催化剂存在光催化缺陷的问题，制备方法简单，光催化活性好，分散均匀。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种高性能复合光催化材料的制备方法，按照如下步骤：
步骤1，将电气石粉加入至无水乙醇中，然后加入乙基纤维素，恒温超声30-60min，得到分散悬浊液；
步骤2，将醋酸锌加入至无水乙醇中，搅拌至完全溶解，然后缓慢滴加钛酸正丁酯，搅拌至完全溶解，形成混合溶液；
步骤3，将混合溶液与分散悬浊液同时加入至超声反应釜中恒温超声10-20min，然后微沸反应30-60min，得到浓缩液；
步骤4，将浓缩液加入蒸发皿中红外恒温烘干2-4h，然后紫外光照反应2-4h得到光催化材料。
所述步骤1中的电气石粉在无水乙醇中的浓度为0.3-0.8g/mL，所述乙基纤维素的加入量是电气石粉质量的50-60％。
所述步骤1中的恒温超声反应的温度为60-70℃，超声频率为40-80kHz。
所述步骤2中的醋酸锌在无水乙醇中的浓度为100-300g/L，所述搅拌的速度为500-1000r/min。
所述步骤2中的钛酸正丁酯的加入量是醋酸锌摩尔量的110-150％，所述缓慢滴加的速度为3-5mL/min，所述搅拌的速度为1500-3000r/min。
所述步骤3中的混合溶液与分散悬浊液的体积比为3:1-3，所述恒温超声的超声频率为50-80kHz，温度为70-75℃。
所述步骤3中的微沸反应的温度为85-110℃，压力为0.3-0.6MPa，所述浓缩液的体积是微沸反应前液体体积的8-15％。
所述步骤4中的恒温烘干温度为100-120℃。
所述步骤4中的紫外光照反应的温度为30-40℃，湿度为60-70％，紫外光强度为0.2-0.7W/cm2。
步骤1将电气石粉放入无水乙醇中，能够形成悬浊醇液，然后加入乙基纤维素；乙基纤维素溶解在水中，能够形成良好的溶解效果，并且能够吸附在电气石粉表面，形成良好的分散体系，达到分散悬浊的效果。
步骤2将醋酸锌溶解在无水乙醇中，能够形成有机锌溶液，缓慢低价钛酸正丁酯，能够将钛酸正丁酯形成缓慢溶解，并且醋酸锌能够将钛酸正丁酯包裹，随着钛酸正丁酯的不断加入和搅拌，钛酸正丁酯四周均匀分散醋酸锌，形成分散均匀的醋酸锌-钛酸正丁酯混合液，其中，乙基纤维素同样能够作用至钛酸正丁酯表面，提升钛酸正丁酯的分散性。
步骤3将混合溶液和分散悬浊液同时加入反应釜中进行超声反应，能够将钛酸正丁酯和醋酸锌均匀分散至电气石粉表面，其中钛酸正丁酯和醋酸锌被乙基纤维素均匀吸附在表面，形成以电气石粉为核心，乙基纤维素为粘结剂，钛酸正丁酯和醋酸锌为表面吸附材料的整体结构；超声反应能够提升钛酸正丁酯和醋酸锌的分散效果，同时恒温条件能够控制超声反应的热量，降低整体的热动力，防止钛酸正丁酯和醋酸锌的提前热解；微沸反应形成恒温微沸体系，将无水乙醇转化为乙醇蒸汽排出，降低整个体系的溶剂，钛酸正丁酯与醋酸锌在微沸条件下形成热解，缓慢转化为二氧化钛和氧化锌，并且均匀分散至电气石粉表面。
步骤4将浓缩液放入蒸发皿，形成红外恒温烘干，能够利用红外加热效果将剩余的无水乙醇去除，且红外产生的高温能够加快钛酸正丁酯和醋酸锌的纳米粒子转化，形成以纳米二氧化钛和氧化锌为表层，电气石粉为内核的结构；紫外光照反应不仅能够激活氧化锌和二氧化钛，提升本身光催化性能，同时也能够逐步控制氧化锌与二氧化钛复合，形成氧化锌-二氧化钛复合体系，随着光照反应的进行，氧化锌和二氧化钛均镶嵌在电气石粉表面，形成良好的连接结构。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明解决了现有光催化剂存在光催化缺陷的问题，制备方法简单，光催化活性好，分散均匀。
2.本发明制备的光催化剂以电气石粉为内核，以氧化锌-二氧化钛为光催化材料，形成高性能、高稳定性的光催化材料。
3.本发明充分利用电气石粉本身的热电性能够提升电子迁移速度，有效的提升空穴和电子的复合，提升整体的光催化效率。
具体实施方式
结合实施例详细说明本发明，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1
一种高性能复合光催化材料的制备方法，按照如下步骤：
步骤1，将电气石粉加入至无水乙醇中，然后加入乙基纤维素，恒温超声30min，得到分散悬浊液；
步骤2，将醋酸锌加入至无水乙醇中，搅拌至完全溶解，然后缓慢滴加钛酸正丁酯，搅拌至完全溶解，形成混合溶液；
步骤3，将混合溶液与分散悬浊液同时加入至超声反应釜中恒温超声10min，然后微沸反应30min，得到浓缩液；
步骤4，将浓缩液加入蒸发皿中红外恒温烘干2h，然后紫外光照反应2h得到光催化材料。
所述步骤1中的电气石粉在无水乙醇中的浓度为0.3g/mL，所述乙基纤维素的加入量是电气石粉质量的50％。
所述步骤1中的恒温超声反应的温度为60℃，超声频率为40kHz。
所述步骤2中的醋酸锌在无水乙醇中的浓度为100g/L，所述搅拌的速度为500r/min。
所述步骤2中的钛酸正丁酯的加入量是醋酸锌摩尔量的110％，所述缓慢滴加的速度为3mL/min，所述搅拌的速度为1500r/min。
所述步骤3中的混合溶液与分散悬浊液的体积比为3:1，所述恒温超声的超声频率为50kHz，温度为70℃。
所述步骤3中的微沸反应的温度为85℃，压力为0.3MPa，所述浓缩液的体积是微沸反应前液体体积的8％。
所述步骤4中的恒温烘干温度为100℃。
所述步骤4中的紫外光照反应的温度为30℃，湿度为60％，紫外光强度为0.2W/cm2。
实施例2
一种高性能复合光催化材料的制备方法，按照如下步骤：
步骤1，将电气石粉加入至无水乙醇中，然后加入乙基纤维素，恒温超声60min，得到分散悬浊液；
步骤2，将醋酸锌加入至无水乙醇中，搅拌至完全溶解，然后缓慢滴加钛酸正丁酯，搅拌至完全溶解，形成混合溶液；
步骤3，将混合溶液与分散悬浊液同时加入至超声反应釜中恒温超声20min，然后微沸反应60min，得到浓缩液；
步骤4，将浓缩液加入蒸发皿中红外恒温烘干4h，然后紫外光照反应4h得到光催化材料。
所述步骤1中的电气石粉在无水乙醇中的浓度为0.8g/mL，所述乙基纤维素的加入量是电气石粉质量的60％。
所述步骤1中的恒温超声反应的温度为70℃，超声频率为80kHz。
所述步骤2中的醋酸锌在无水乙醇中的浓度为300g/L，所述搅拌的速度为1000r/min。
所述步骤2中的钛酸正丁酯的加入量是醋酸锌摩尔量的150％，所述缓慢滴加的速度为5mL/min，所述搅拌的速度为3000r/min。
所述步骤3中的混合溶液与分散悬浊液的体积比为3:3，所述恒温超声的超声频率为80kHz，温度为75℃。
所述步骤3中的微沸反应的温度为110℃，压力为0.6MPa，所述浓缩液的体积是微沸反应前液体体积的15％。
所述步骤4中的恒温烘干温度为120℃。
所述步骤4中的紫外光照反应的温度为40℃，湿度为70％，紫外光强度为0.7W/cm2。
实施例3
一种高性能复合光催化材料的制备方法，按照如下步骤：
步骤1，将电气石粉加入至无水乙醇中，然后加入乙基纤维素，恒温超声50min，得到分散悬浊液；
步骤2，将醋酸锌加入至无水乙醇中，搅拌至完全溶解，然后缓慢滴加钛酸正丁酯，搅拌至完全溶解，形成混合溶液；
步骤3，将混合溶液与分散悬浊液同时加入至超声反应釜中恒温超声15min，然后微沸反应40min，得到浓缩液；
步骤4，将浓缩液加入蒸发皿中红外恒温烘干3h，然后紫外光照反应3h得到光催化材料。
所述步骤1中的电气石粉在无水乙醇中的浓度为0.6g/mL，所述乙基纤维素的加入量是电气石粉质量的55％。
所述步骤1中的恒温超声反应的温度为65℃，超声频率为60kHz。
所述步骤2中的醋酸锌在无水乙醇中的浓度为200g/L，所述搅拌的速度为800r/min。
所述步骤2中的钛酸正丁酯的加入量是醋酸锌摩尔量的130％，所述缓慢滴加的速度为3-5mL/min，所述搅拌的速度为1500-3000r/min。
所述步骤3中的混合溶液与分散悬浊液的体积比为3:1-3，所述恒温超声的超声频率为65kHz，温度为73℃。
所述步骤3中的微沸反应的温度为90℃，压力为0.4MPa，所述浓缩液的体积是微沸反应前液体体积的11％。
所述步骤4中的恒温烘干温度为110℃。
所述步骤4中的紫外光照反应的温度为35℃，湿度为65％，紫外光强度为0.5W/cm2。
性能检测
检测实例1
对比例1采用普通市售石墨烯-二氧化钛光催化剂。
对比例2采用P25光催化剂。
测试方案按照国标《光催化材料水溶液体系净化性能测试方法》。
检测实例2
对比例1采用普通市售石墨烯-二氧化钛光催化剂。
对比例2采用P25光催化剂。
测试方案按照国标《光催化空气净化材料性能测试方法》。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.本发明解决了现有光催化剂存在光催化缺陷的问题，制备方法简单，光催化活性好，分散均匀。
2.本发明制备的光催化剂以电气石粉为内核，以氧化锌-二氧化钛为光催化材料，形成高性能、高稳定性的光催化材料。
3.本发明充分利用电气石粉本身的热电性能够提升电子迁移速度，有效的提升空穴和电子的复合，提升整体的光催化效率。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高性能复合光催化材料的制备方法，其特征在于：按照如下步骤：
步骤1，将电气石粉加入至无水乙醇中，然后加入乙基纤维素，恒温超声30-60min，得到分散悬浊液；
步骤2，将醋酸锌加入至无水乙醇中，搅拌至完全溶解，然后缓慢滴加钛酸正丁酯，搅拌至完全溶解，形成混合溶液；
步骤3，将混合溶液与分散悬浊液同时加入至超声反应釜中恒温超声10-20min，然后微沸反应30-60min，得到浓缩液；
步骤4，将浓缩液加入蒸发皿中红外恒温烘干2-4h，然后紫外光照反应2-4h得到光催化材料。
2.根据权利要求1所述的一种高性能复合光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中的电气石粉在无水乙醇中的浓度为0.3-0.8g/mL，所述乙基纤维素的加入量是电气石粉质量的50-60％。
3.根据权利要求1所述的一种高性能复合光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中的恒温超声反应的温度为60-70℃，超声频率为40-80kHz。
4.根据权利要求1所述的一种高性能复合光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中的醋酸锌在无水乙醇中的浓度为100-300g/L，所述搅拌的速度为500-1000r/min。
5.根据权利要求1所述的一种高性能复合光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中的钛酸正丁酯的加入量是醋酸锌摩尔量的110-150％，所述缓慢滴加的速度为3-5mL/min，所述搅拌的速度为1500-3000r/min。
6.根据权利要求1所述的一种高性能复合光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中的混合溶液与分散悬浊液的体积比为3:1-3，所述恒温超声的超声频率为50-80kHz，温度为70-75℃。
7.根据权利要求1所述的一种高性能复合光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中的微沸反应的温度为85-110℃，压力为0.3-0.6MPa，所述浓缩液的体积是微沸反应前液体体积的8-15％。
8.根据权利要求1所述的一种高性能复合光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4中的恒温烘干温度为100-120℃。
9.根据权利要求1所述的一种高性能复合光催化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4中的紫外光照反应的温度为30-40℃，湿度为60-70％，紫外光强度为0.2-0.7W/cm2。
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