CN111250134A - 改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了改性TiO2复合g‑C3N4可见光光催化抗菌陶瓷，以堇青石蜂窝陶瓷为载体，负载有改性TiO2复合g‑C3N4可见光光催化材料，以解决现有同类材料可见光催化活性低，光生电子空穴易复合，对光利用的量子效率较低的问题。所述改性TiO2复合g‑C3N4可见光光催化抗菌陶瓷的制备方法，取改性TiO2复合g‑C3N4可见光光催化材料与辅料制成光催化材料浆料，将所述光催化材料浆料涂覆至堇青石蜂窝陶瓷，自然晾干，即得。本发明还公开了所述改性TiO2复合g‑C3N4可见光光催化抗菌陶瓷的应用，将其做成各种形状模块，组装到冰箱、空调等家电抗菌组件中，用于冰箱、空调等家电杀菌、抗菌。
Description
技术领域
本发明涉及抗菌陶瓷，具体涉及一种改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷。同时，本发明还涉及该抗菌陶瓷的制备方法及应用。
背景技术
TiO2材料作为性能优良的光催化剂已被广泛应用于污水处理、室内外空气净化及杀菌。纳米TiO2存在两大缺陷：一是可见光催化活性低，常用的锐钛型TiO2的禁带宽度为3.2ev，只能吸收λ＜387nm以下的紫外光，这部分光在太阳光中只占3％～5％，绝大部分可见光的能量尚未得到充分利用；二是光生电子空穴易复合，对光利用的量子效率较低。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明目的之一在于提供一种具备高效的光催化杀菌及抗菌能力的改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷，可做成各种形状组装到冰箱、空调等家电抗菌组件中。
本发明的目的之一通过以下技术方案来实现：一种改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷，以堇青石蜂窝陶瓷为载体，负载有改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化材料。
所述改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化材料为金属离子掺杂改性TiO2复合g-C3N4材料，优选为铜离子掺杂TiO2复合g-C3N4材料，更优选的是铜离子掺杂纳米级锐钛型TiO2复合 g-C3N4材料。
所述堇青石蜂窝陶瓷为方形或圆形或圆环形，开孔数为100～600孔/平方英寸，优选为 200～400孔/平方英寸；开孔的形状为方形、六边形或圆形中的一种，优选为方形；所述堇青石蜂窝陶瓷为方形时，长为30～100mm，宽为20～100mm，高为6～30mm；所述堇青石蜂窝陶瓷为圆形时，直径为Φ15～150mm，高为6～300mm；所述堇青石蜂窝陶瓷为圆环形时，外径为Φ30～100mm，内径为Φ10～80mm，高为6～300mm；其中开孔数优选为200～400孔/平方英寸。
本发明目的之二在于提供上述改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷的制备方法。
本发明的目的之二通过以下技术方案来实现：上述改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷的制备方法，取改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化材料与辅料制成光催化材料浆料，将所述光催化材料浆料涂覆至堇青石蜂窝陶瓷，自然晾干，即得改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷。
所述光催化材料浆料的组分包括改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料、聚氨酯、(C6H9NO)n和水；其中，所述改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料的质量百分比为5～15wt％，所述(C6H9NO)n为PVP-K30，其浓度为5.55-12.95mg/ml，质量百分比为15～30wt％，所述聚氨酯材料浓度为2～10mg/ml，质量百分比为10～30wt％。作为本发明的一个实施例，所述光催化材料浆料制备如下：将所述改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料加入到纯水中充分搅拌，然后加入(C6H9NO)n溶液，最后加入聚氨酯材料，在室温下搅拌1-4h，即得光催化材料浆料。
作为本发明的一个实施例，所述改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料的制备如下：将纳米级锐钛型TiO2加入到纯水中，然后加入g-C3N4材料，待材料搅拌均匀后加入Cu(NO3)2·3H2O 溶液，恒温加热搅拌，取出混合后材料，进行球磨、烘干、初步破碎、焙烧，最后对焙烧后的材料进行再次粉碎，即得改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料。进一步地，所述纳米级锐钛型TiO2的质量百分比为10～20wt％；所述g-C3N4材料的质量百分比为10～20wt％；所述 Cu(NO3)2·3H2O溶液的浓度为5～20mg/ml，质量百分比为5～15wt％。
进一步地，在所述改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料制备过程中，所述水浴恒温加热搅拌的加热温度为40～80℃，搅拌速率≥400r/min，搅拌时间3～6h；所述球磨的时间为1～3h，转速≥400r/min；所述烘干的温度为80～150℃，所述初步破碎粒度200～600目；所述焙烧温度350～550℃，焙烧时间1～4h；所述再次粉碎的粒度为D90≤0.2μm。
所述光催化材料浆料涂覆至堇青石蜂窝陶瓷中，采用喷涂的方式将光催化材料浆料涂覆在堇青石蜂窝陶瓷上。具体地，将堇青石蜂窝陶瓷整齐摆放到操作台上，将所述光催化材料浆料放入喷枪中，并达到充分的雾化，然后均匀喷涂在所述堇青石蜂窝陶瓷上。进一步地，喷涂前，先对堇青石蜂窝陶瓷进行预处理，即用气枪吹扫干净，避免其表面和孔内附着杂质。进一步地，在所述光催化材料浆料涂覆过程中，所述喷枪的气压控制在0.5～0.8MPa，所述喷枪距离陶瓷环50cm左右。
进一步地，所述堇青石蜂窝陶瓷为方形或圆形或圆环形，开孔数为100～600孔/平方英寸，优选为200～400孔/平方英寸；开孔的形状为方形、六边形或圆形中的一种，优选为方形；所述堇青石蜂窝陶瓷为方形时，长为30～100mm，宽为20～100mm，高为6～30mm；所述堇青石蜂窝陶瓷为圆形时，直径为Φ15～150mm，高为6～300mm；所述堇青石蜂窝陶瓷为圆环形时，外径为Φ30～100mm，内径为Φ10～80mm，高为6～300mm；其中开孔数优选为200～400孔/平方英寸。
本发明目的之三在于提供上述改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷的应用。具体地，提供上述改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷作为抗菌组件中的应用。所述抗菌组件可适用于冰箱、空调等家电。
本发明的有益效果在于：
1.在催化剂载体选择上，以比表面积较大的堇青石陶瓷蜂窝载体为骨架，陶瓷蜂窝的气阻小，强度高，会使排气气流与催化剂表面接触时间延长。
2.通过金属掺杂改性，再加上与g-C3N4材料复合，复合后的光催化材料吸收光谱范围由紫外区拓宽到可见光区，在可见光条件下，使材料具备了高活性。
3.原料易得，工艺简便，且催化性能高效，易于大规模工业化生产。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细说明，但实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
(1)首先将15g纳米级锐钛型TiO2加入到70g纯水中，然后加入15g g-C3N4材料，待材料搅拌均匀后加入10g浓度为13.5mg/ml的Cu(NO3)2·3H2O溶液，60℃水浴恒温加热，搅拌速率500r/min，搅拌时间5h，然后取出混合后材料，进行球磨2h，转速400r/min。再将球磨后材料在120℃下烘干到完全干燥。将烘干后材料放到小型破碎机内进行初步破碎，破碎粒度400目，然后将初步破碎后材料放入烧结炉中焙烧，焙烧温度450℃，焙烧时间2.5h，最后将焙烧后的材料放入气流粉碎机内粉碎，粉碎粒度D90≤0.2μm，即得改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料。
(2)首先将10g改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料加入到90g纯水中充分搅拌，然后加入20g浓度为7.55mg/ml的(C6H9NO)n溶液，最后加入15g浓度为5mg/ml的聚氨酯材料溶液，在室温下搅拌2h，即得喷涂所需改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料浆料。
(3)首先将堇青石蜂窝陶瓷载体用气枪吹扫后摆放到操作台上，蜂窝陶瓷载体规格为Φ 61.7*10mm/Φ28.5-300孔环形堇青石蜂窝陶瓷，然后将改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料浆料放入喷枪中，将喷枪的气压控制在(0.5～0.8)MPa，喷枪距离陶瓷环50cm，使浆料达到充分的雾化，均匀喷涂在堇青石蜂窝陶瓷载体上。喷涂完成，自然晾干，即得改性TiO2材料复合g-C3N4光催化抗菌陶瓷。
实施例2
(1)首先将20g纳米级锐钛型TiO2加入到70g纯水中，然后加入10g g-C3N4材料，待材料搅拌均匀后加入13.5g浓度为15mg/ml的Cu(NO3)2·3H2O溶液，80℃水浴恒温加热，搅拌速率500r/min，搅拌时间4h，然后取出混合后材料，进行球磨2h，转速400r/min。再将球磨后材料在110℃下烘干到完全干燥。将烘干后材料放到小型破碎机内进行初步破碎，破碎粒度600目，然后将初步破碎后材料放入烧结炉中焙烧，焙烧温度450℃，焙烧时间2.5h，最后将焙烧后的材料放入气流粉碎机内粉碎，粉碎粒度D90≤0.2μm，即得改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料。
(2)首先将10g改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料加入到90g纯水中充分搅拌，然后加入15g浓度为10mg/ml的(C6H9NO)n溶液，最后加入15g浓度为5mg/ml的聚氨酯材料溶液，在室温下搅拌2h，即得喷涂所需改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料浆料。
(3)首先将堇青石蜂窝陶瓷载体用气枪吹扫后摆放到操作台上，蜂窝陶瓷载体规格为Φ 61.7*10mm/Φ28.5-300孔环形堇青石蜂窝陶瓷，然后将改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料浆料放入喷枪中，将喷枪的气压控制在(0.5～0.8)MPa，喷枪距离陶瓷环50cm，使浆料达到充分的雾化，均匀喷涂在堇青石蜂窝陶瓷载体上。喷涂完成，自然晾干，即得改性TiO2材料复合g-C3N4光催化抗菌陶瓷。
实施例3
(1)首先将10g纳米级锐钛型TiO2加入到70g纯水中，然后加入20g g-C3N4材料，待材料搅拌均匀后加入10g浓度为13.5mg/ml的Cu(NO3)2·3H2O溶液，60℃水浴恒温加热，搅拌速率500r/min，搅拌时间4h，然后取出混合后材料，进行球磨2h，转速400r/min。再将球磨后材料在120℃下烘干到完全干燥。将烘干后材料放到小型破碎机内进行初步破碎，破碎粒度600目，然后将初步破碎后材料放入烧结炉中焙烧，焙烧温度450℃，焙烧时间2.5h，最后将焙烧后的材料放入气流粉碎机内粉碎，粉碎粒度D90≤0.2μm，即得改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料。
(2)首先将10g改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料加入到90g纯水中充分搅拌，然后加入10g浓度为7.55mg/ml的(C6H9NO)n溶液，最后加入15g浓度为5mg/ml的聚氨酯材料溶液，在室温下搅拌2h，即得喷涂所需改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料浆料。
(3)首先将堇青石蜂窝陶瓷载体用气枪吹扫后摆放到操作台上，蜂窝陶瓷载体规格为Φ 61.7*10mm/Φ28.5-300孔环形堇青石蜂窝陶瓷，然后将改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料浆料放入喷枪中，将喷枪的气压控制在(0.5～0.8)MPa，喷枪距离陶瓷环50cm，使浆料达到充分的雾化，均匀喷涂在堇青石蜂窝陶瓷载体上。喷涂完成，自然晾干，即得改性TiO2材料复合g-C3N4光催化抗菌陶瓷。
实施例4
(1)首先将13g纳米级锐钛型TiO2加入到70g纯水中，然后加入17g g-C3N4材料，待材料搅拌均匀后加入13g浓度为13.5mg/ml的Cu(NO3)2·3H2O溶液，60℃水浴恒温加热，搅拌速率500r/min，搅拌时间4h，然后取出混合后材料，进行球磨2h，转速400r/min。再将球磨后材料在120℃下烘干到完全干燥。将烘干后材料放到小型破碎机内进行初步破碎，破碎粒度600目，然后将初步破碎后材料放入烧结炉中焙烧，焙烧温度450℃，焙烧时间2.5h，最后将焙烧后的材料放入气流粉碎机内粉碎，粉碎粒度D90≤0.2μm，即得改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料。
(2)首先将10g改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料加入到90g纯水中充分搅拌，然后加入10g浓度为7.55mg/ml的(C6H9NO)n溶液，最后加入15g浓度为5mg/ml的聚氨酯材料溶液，在室温下搅拌2h，即得喷涂所需改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料浆料。
(3)首先将堇青石蜂窝陶瓷载体用气枪吹扫后摆放到操作台上，蜂窝陶瓷载体规格为Φ 61.7*10mm/Φ28.5-300孔环形堇青石蜂窝陶瓷，然后将改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料浆料放入喷枪中，将喷枪的气压控制在(0.5～0.8)MPa，喷枪距离陶瓷环50cm，使浆料达到充分的雾化，均匀喷涂在堇青石蜂窝陶瓷载体上。喷涂完成，自然晾干，即得改性TiO2材料复合g-C3N4光催化抗菌陶瓷。
为了评价抗菌陶瓷对细菌的处理效果，对本发明制备的抗菌陶瓷进行活性评价和稳定性评价。评价检测依据为：GB 21551.2-2010附录B吸收法进行，测试菌类为大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，测试时间24h，评价结果见表1。
表1可见光光催化抗菌陶瓷评价结果。
Claims (9)
1.一种改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷，其特征是，以堇青石蜂窝陶瓷为载体，负载有改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化材料。
2.根据权利要求1所述的改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷，其特征是，所述改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化材料为金属离子掺杂改性TiO2复合g-C3N4材料。
3.根据权利要求1所述的改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷，其特征是，所述堇青石蜂窝陶瓷的开孔数为100～600孔/平方英寸。
4.权利要求1-3任一项所述的改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷的制备方法，其特征是，取改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化材料与辅料制成光催化材料浆料，将所述光催化材料浆料涂覆至堇青石蜂窝陶瓷，自然晾干，即得改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷。
5.根据权利要求4所述的改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷的制备方法，其特征是，所述光催化材料浆料的组分包括改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料、聚氨酯、(C6H9NO)n和水；其中，所述改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料的质量百分比为5～15wt％，所述(C6H9NO)n为PVP-K30，其浓度为5.55-12.95mg/ml，质量百分比为15～30wt％，所述聚氨酯材料浓度为2～10mg/ml，质量百分比为10～30wt％。
6.根据权利要求4或5所述的改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷的制备方法，其特征是，所述改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料的制备如下：将纳米级锐钛型TiO2加入到纯水中，然后加入g-C3N4材料，待材料搅拌均匀后加入Cu(NO3)2·3H2O溶液，恒温加热搅拌，取出混合后材料，进行球磨、烘干、初步破碎、焙烧，最后对焙烧后的材料进行再次粉碎，即得改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料。
7.根据权利要求6所述的改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷的制备方法，其特征是，所述纳米级锐钛型TiO2的质量百分比为10～20wt％；所述g-C3N4材料的质量百分比为10～20wt％；所述Cu(NO3)2·3H2O溶液的浓度为5～20mg/ml，质量百分比为5～15wt％。
8.根据权利要求6所述的改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷的制备方法，其特征是在所述改性TiO2材料复合g-C3N4光催化材料制备过程中，所述恒温加热搅拌的加热温度为40～80℃，搅拌速率≥400r/min，搅拌时间3～6h；所述球磨的时间为1～3h，转速≥400r/min；所述烘干的温度为80～150℃，所述初步破碎粒度200～600目；所述焙烧温度350～550℃，焙烧时间1～4h；所述再次粉碎的粒度为D90≤0.2μm。
9.权利要求1-3任一项所述改性TiO2复合g-C3N4可见光光催化抗菌陶瓷作为抗菌组件中的应用。
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