CN112604379A - 一种以陶瓷为基材的空气净化材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种以陶瓷为基材的空气净化材料及其制备方法和应用，包括基材，金属氧化物晶种层和锰氧化物多孔纳米管阵列结构，所述金属氧化物晶种层由金属醋酸盐水溶液制备，所述锰氧化物为由高锰酸盐和草酸盐制备的水钠锰矿型锰氧化物多孔纳米管阵列结构。本发明通过在基体上构筑一层金属氧化物晶种层，诱导生长锰氧化物多孔空心纳米管阵列结构，氧化物晶种层能够牢固地链接锰氧化物纳米结构与基体，从而有效解决了锰氧化物掉粉的难题。

Description

一种以陶瓷为基材的空气净化材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及化学催化分解技术领域，特别涉及一种以陶瓷为基材的空气净化材料及其制备方法和应用。
背景技术
甲醛是室内空气中的主要污染物，具有刺激性，且有急性和慢性毒性，长期吸入甲醛具有致癌风险。常见的除甲醛手段有物理吸附、低温等离子分解技术、催化燃烧、植物吸收、光催化等。但是，上述方法受限于吸附容量，高能耗，高温，低效率和副产物等缺点，甲醛治理仍然是一个挑战性的难题。
锰氧化物具有将甲醛完全转换为水和二氧化碳的催化活性。然而，锰氧化物仍存在室温催化活性低，与基体链接不牢固，容易掉粉等诸多问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种以陶瓷为基材的空气净化材料及其制备方法和应用，通过在基体上构筑一层金属氧化物晶种层，诱导生长锰氧化物多孔空心纳米管阵列结构，氧化物晶种层能够牢固地链接锰氧化物纳米结构与基体，从而有效解决了锰氧化物掉粉的难题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种以陶瓷为基材的空气净化材料，包括基材，金属氧化物晶种层和锰氧化物多孔纳米管阵列结构，所述金属氧化物晶种层由金属醋酸盐水溶液制备，所述锰氧化物为由高锰酸盐和草酸盐制备的水钠锰矿型锰氧化物多孔纳米管阵列结构。
所述金属氧化物晶种层的晶种层厚度为1～1000nm，金属氧化物可以是氧化锰、氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化铝等中的任意一种。
所述锰氧化物多孔纳米管阵列结构的纳米管壁厚为1～500nm，纳米管长度为0.1-10μm，纳米管壁上的多孔孔径为1～20nm。
一种以陶瓷为基材的空气净化材料的制备方法，包括以下步骤；
a.将基材浸泡于金属氧化物晶种层前驱体溶液中一定时间后，在一定温度下烘干后得到中间产物；
b.将步骤a中得到的中间产物浸泡于高锰酸盐和草酸盐混合溶液中一定时间后取出，在一定温度下焙烧烘干即可得到空气净化材料。
所述基材为具有过滤颗粒物功能的多孔陶瓷如蜂窝陶瓷。
所述金属氧化物晶种层前驱体溶液为相应金属醋酸盐水溶液，浓度为0.01～100g/L。
所述基体在前驱体溶液中浸泡时间为0.1～10h。
所述步骤a中浸渍后的基体烘干温度为60～100℃。
所述步骤b中浸泡时间为0.1-48h,焙烧烘干温度为60-300℃。
所述空气净化材料具有分解包括甲醛在内的VOC及过滤PM颗粒的功能。
本发明的有益效果：
本发明制备工艺简便，中间金属氧化物晶种层能够将锰氧化物多孔纳米管阵列结构牢固锚定在基材上，无需粘结剂。制备成本低，不需要贵金属作为活性组分。
使用方便，在室温下就可高效分解空气中的甲醛；风阻低，可以作为主动式净化模块。使用安全，将甲醛分解为二氧化碳和水，不产生二次污染物；容易再生，甲醛分解活性降低时，可以快速简便再生，再生过程中无有毒有害二次污染物生成。
本发明主要针对分解低浓度甲醛。本发明中的锰氧化物多孔空心纳米管阵列结构具有非常高的比表面积以及丰富的催化活性位点，能够有效地分解室内空气中甲醛污染，能够在室温下持续、快速去除室内空气中甲醛污染物。
蜂窝陶瓷基材具有高比表面积，能够高效负载催化活性材料，能够用于甲醛高效降解。
附图说明
图1为本发明多孔锰氧化物纳米管TEM图。
图2锰氧化物多孔纳米管XRD图谱。
图3为材料制备过程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
以蜂窝陶瓷为载体，以氧化锌为晶种层。
配制10g/L的醋酸锌溶液，将蜂窝陶瓷浸渍在醋酸锌溶液，浸渍0.1h后，将蜂窝陶瓷在70℃下烘干后得到表面包覆有氧化锌晶种层的蜂窝陶瓷。配制5g/L高锰酸钾水溶液和10g/L草酸铵溶液，将两种溶液混合并搅拌均匀，条件溶液PH到7后将表面包覆有氧化锌晶种层的蜂窝陶瓷浸渍在混合溶液中，浸渍12h后，在70℃下烘干，得到空气净化材料。
实施例2
以蜂窝陶瓷为载体，以氧化锌为晶种层。
配制10g/L的醋酸锌溶液，将蜂窝陶瓷浸渍在醋酸锌溶液，浸渍0.2h后，将蜂窝陶瓷在70℃下烘干后得到表面包覆有氧化锌晶种层的蜂窝陶瓷。配制5g/L高锰酸钾水溶液和10g/L草酸铵溶液，将两种溶液混合并搅拌均匀，条件溶液PH到7后将表面包覆有氧化锌晶种层的蜂窝陶瓷浸渍在混合溶液中，浸渍24h后，在70℃下烘干，得到本发明空气净化材料。
实施例3
以蜂窝陶瓷为载体，以氧化锰为晶种层。
配制5g/L的醋酸锰溶液，将蜂窝陶瓷浸渍在醋酸锰溶液，浸渍0.1h后，将蜂窝陶瓷在70℃下烘干后得到表面包覆有氧化锰晶种层的蜂窝陶瓷。配制5g/L高锰酸钾水溶液和10g/L草酸铵溶液，将两种溶液混合并搅拌均匀，条件溶液PH到7后将表面包覆有氧化锰晶种层的蜂窝陶瓷浸渍在混合溶液中，浸渍12h后，在70℃下烘干，得到本发明空气净化材料。
实施例4
以蜂窝陶瓷为载体，以氧化锰为晶种层。
配制10g/L的醋酸锰溶液，将蜂窝陶瓷浸渍在醋酸锰溶液，浸渍0.5h后，将蜂窝陶瓷在70℃下烘干后得到表面包覆有氧化锰晶种层的蜂窝陶瓷。配制5g/L高锰酸钾水溶液和10g/L草酸铵溶液，将两种溶液混合并搅拌均匀，条件溶液PH到7后将表面包覆有氧化锰晶种层的蜂窝陶瓷浸渍在混合溶液中，浸渍24h后，在70℃下烘干，得到本发明空气净化材料。
实施例5
以蜂窝陶瓷为载体，以氧化锰为晶种层。
配制10g/L的醋酸锰溶液，将蜂窝陶瓷浸渍在醋酸锰溶液，浸渍0.1h后，将蜂窝陶瓷在60℃下烘干后得到表面包覆有氧化锰晶种层的蜂窝陶瓷。配制5g/L高锰酸钾水溶液和10g/L草酸铵溶液，将两种溶液混合并搅拌均匀，条件溶液PH到7后将表面包覆有氧化锰晶种层的蜂窝陶瓷浸渍在混合溶液中，浸渍0.1h后，在60℃下烘干，得到本发明空气净化材料。
实施例6
以蜂窝陶瓷为载体，以氧化锰为晶种层。
配制10g/L的醋酸锰溶液，将蜂窝陶瓷浸渍在醋酸锰溶液，浸渍10h后，将蜂窝陶瓷在100℃下烘干后得到表面包覆有氧化锰晶种层的蜂窝陶瓷。配制5g/L高锰酸钾水溶液和10g/L草酸铵溶液，将两种溶液混合并搅拌均匀，条件溶液PH到7后将表面包覆有氧化锰晶种层的蜂窝陶瓷浸渍在混合溶液中，浸渍48h后，在300℃下烘干，得到本发明空气净化材料。
如图1所示：MnO2呈管状结构，纳米管壁厚为1～500nm，表面含多孔，多孔孔径为1～20nm
如图2所示：发明产物XRD与MnO2标准卡片(PDF No.81-1947)完全吻合。
如图3所示：本发明材料制备过程示意图，首先将蜂窝陶瓷基材在晶种层前驱液中浸泡一定时间后取出烘干，然后再在高锰酸盐溶液中浸泡诱导生长MnO2多孔纳米管。

Claims (10)

1.一种以陶瓷为基材的空气净化材料，其特征在于，包括基材，金属氧化物晶种层和锰氧化物多孔纳米管阵列结构，所述金属氧化物晶种层由金属醋酸盐水溶液制备，所述锰氧化物为由高锰酸盐和草酸盐制备的水钠锰矿型锰氧化物多孔纳米管阵列结构。
2.根据权利要求1所述的一种以陶瓷为基材的空气净化材料，其特征在于，所述金属氧化物晶种层的晶种层厚度为1～1000nm，金属氧化物可以是氧化锰、氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化铝等中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种以陶瓷为基材的空气净化材料，其特征在于，所述锰氧化物多孔纳米管阵列结构的纳米管壁厚为1～500nm，纳米管长度为0.1-10μm，纳米管壁上的多孔孔径为1～20nm。
4.基于权利要求1所述的一种以陶瓷为基材的空气净化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
a.将基材浸泡于金属氧化物晶种层前驱体溶液中一定时间后，在一定温度下烘干后得到中间产物；
b.将步骤a中得到的中间产物浸泡于高锰酸盐和草酸盐混合溶液中一定时间后取出，在一定温度下焙烧烘干即可得到空气净化材料。
5.根据权利要求4所述的一种以陶瓷为基材的空气净化材料的制备方法，其特征在于，所述基材为具有过滤颗粒物功能的多孔陶瓷如蜂窝陶瓷。
6.根据权利要求4所述的一种以陶瓷为基材的空气净化材料的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物晶种层前驱体溶液为相应金属醋酸盐水溶液，浓度为0.01～100g/L。
7.根据权利要求4所述的一种以陶瓷为基材的空气净化材料的制备方法，其特征在于，所述基体在前驱体溶液中浸泡时间为0.1～10h。
8.根据权利要求4所述的一种以陶瓷为基材的空气净化材料的制备方法，其特征在于，所述步骤a中浸渍后的基体烘干温度为60～100℃。
9.根据权利要求4所述的一种以陶瓷为基材的空气净化材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b中浸泡时间为0.1-48h,焙烧烘干温度为60-300℃。
10.基于权利要求1-9任一项所述的空气净化材料，其特征在于，所述空气净化材料具有分解包括甲醛在内的VOC及过滤PM颗粒的功能。
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