CN1128017C - 空气净化材料及其制法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功能材料技术领域，特别是涉及一种空气净化材料及其制法和用途。将2～33mol的金属盐加入到64～98mol的有机溶剂中，加入0.1～5.4mol的稳定剂和0.06～1.63mol的催化剂制得透明溶胶，涂于多孔载体表面，置于450～720℃的马氟炉中，保温0.05～1.5小时，得到摩尔含量为80～98%的TiO2纳米粒子和2～20%的金属氧化物纳米粒子组成的半导体纳米粒子光催化剂和多孔载体共同组成的空气净化材料，其在紫外光照射下能通过光催化降解有毒气体，可实现高效、迅速净化空气的目的。
Description
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，特别是涉及一种空气净化材料及其制法和用途。
背景技术
伴随着工业和经济的高速发展，环境污染成为人类共同关注的社会问题。由汽车尾气、工业烟尘、生活环境中的恶臭气体等形成的大气污染作为环境污染的主要种类之一，备受科学界的重视，许多科学家致力于废气治理的研究。
目前，用于空气净化的材料主要是采用二氧化钛超细粉置于金属网和滤布组成的净化通道内，或用粘结剂将二氧化钛粉固定于玻璃、陶瓷等载体上，实现对空气的净化。例如，中国专利号为92222633的实用新型，其是通过在装置的净化通道内设置多个贴有滤布的金属网以及填装以铂、二氧化钛、活性炭为主要成分的球型净化剂来达到净化室内香烟雾的目的。中国专利号为98240831的实用新型，其是在多孔玻璃或多孔陶瓷的内表面涂覆光催化剂涂层用于空气净化。
综上所述，现有技术的不足之处在于：1.由于超细粉的自聚集而使反应面积降低，而且由于超细粉在净化通道内的阻滞作用而降低了空气流通速度，因此空气净化的效率降低。2.载体上的二氧化钛粉不牢固，易脱落。影响了材料使用的寿命。
发明内容
本发明的目的之一在于避免上述现有技术的不足而提供一种新的空气净化材料。
本发明的另一目的在于提供一种空气净化材料的制备方法。
本发明的再一目的是提供一种空气净化材料的用途。
本发明的空气净化材料由多孔材料载体和固定于其上的半导体纳米粒子光催化剂组成；所述的半导体纳米粒子为由摩尔含量为80～98％的TiO2纳米粒子和2～20％的金属氧化物纳米粒子组成。
所述的多孔材料载体可采用市售的多孔玻璃、多孔陶瓷或多孔铝等。
所述的金属氧化物纳米粒子是SnO2、ZnO、WO3、Al2O3、SrTiO3、In2O3、MoO3、Nb2O3、SiO2、ZrO2或它们之间的任意混合物。
所述的半导体纳米粒子的粒径为5～80nm之间。
本发明的空气净化材料的制备方法：
用溶胶-凝胶的方法制备尺寸均匀、无聚集的半导体纳米粒子，并将其涂覆于多孔材料的载体内表面，然后通过烧结将其固定在载体上，制备了高效率的空气净化的材料。具体方法为：
(1)半导体纳米粒子的制备：
(a)室温下，将2～33mol的金属盐加入到64～98mol的有机溶剂中，用超声波使金属盐在有机溶剂中分散均匀，得到一种透明的溶液；其中，所述金属盐是由摩尔含量为80～98％的钛盐和2～20％的其它金属盐组成；
(b)将0.1～5.4mol的稳定剂加入到上述透明溶液中，室温下，在强烈搅拌下缓慢滴加0.06～1.63mol的催化剂，滴加完后，继续搅拌，生成含有部分水解的金属盐的混合物；搅拌时间约0.1～8小时；
(c)将上述混合物静置老化，即制得均匀分散的含有半导体纳米粒子的透明溶胶；静置老化时间3～5.5小时；
(2)空气净化材料的制备：
将多孔材料载体浸泡在含有半导体纳米粒子的透明溶胶中，静置0.5～2小时后取出，室温下干燥后，置于450～720℃的马弗炉中，保温0.05～1.5小时，得到空气净化材料；
所述金属盐是由1～6种不同的钛盐和1～6种不同的其它金属盐混合组成；其中，所述的钛盐及其它金属盐各自是以任意比例混合。
所述钛盐包括钛酸四丁酯、钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯、钛酸四(2-乙基己)酯、钛酸四(十七)酯、二异丙氧基-二乙酰丙酮钛、二正丁氧基-二(三乙醇胺)钛、二羟基-二乳酸钛或四辛烯甘醇钛。
所述的其它金属盐包括四氯化锡、醋酸锡、氯化锌、醋酸锌、六水硝酸锌、碳酸锌、六氯化钨、二氯二氧化钨、碱式乙酸铝二水、无水氯化铝、异丙氧基铝、六水二氯化锶、碳酸锶、三氯化铟、五水硝酸铟、醋酸铟、钼酸铵、五氯化铌、四氯硅烷、四溴硅烷、硅酸四乙酯、硅酸四丁酯、二甲氧基二乙氧基硅烷、二甲基二氯硅烷、四氯化锆、五水硝酸锆或次氯酸锆。
所述有机溶剂是乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、丙酮、氯仿、正己烷、苯、甲苯或四氯化碳等。
所述稳定剂是乙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇、甘油或1，3-丙二醇等。
所述催化剂是盐酸、醋酸、硝酸、硫酸或氨水等。
本发明制备的空气净化材料用于净化空气，可用于空调器、暖风机设备中以净化室内空气，或用于汽车上以净化汽车尾气。如起居室、办公室、证券营业部、银行、候车室、宾馆、医院、生产车间、实验室、计算机房等等。将其用于空调器、暖风机等多种设备中，可将空气中的有机污染物、烟雾、异味气体及有害无机气体氧化分解，达到净化空气的目的。
本发明的具有空气净化材料具有如下优点和效果：
本发明的空气净化材料在紫外光照射下能通过光催化降解有毒气体，并将其变为无毒无味的物质，可实现高效、迅速净化空气的目的。
(1)由于本发明所使用的溶胶中纳米粒子分散均匀，无团聚；在制备方法中，各种金属氧化物均由溶胶-凝胶法制得，避免了往钛溶胶中直接添加金属氧化物纳米粒子，避免了纳米粒子的团聚。因此，光催化剂的尺寸效应、量子效应明显，大大增强了光催化效率。
(2)将溶胶中的半导体纳米粒子直接烧结于多孔材料的载体上，避免了粘结剂的使用，使材料中的光催化剂含量增加，保证了高的光催化效率。
(3)将溶胶中的半导体纳米粒子直接烧结于多孔材料的载体上，附着牢固，光催化剂长期不脱落，保证了本发明的空气净化材料有很长的使用寿命。
(4)将半导体纳米粒子固定于多孔材料的载体上，载体同时具有气流导向作用，极大地增加了光催化剂与待净化空气的接触几率和反应效率，提高了空气净化的效果。由图1～4可看出，本发明的空气净化材料可将空气中常见的有机污染物在很短的时间内分解掉，根据不同的污染气体，完全分解的时间在20～150分钟之间不等。
(5)光催化效果彻底，能将有害气体彻底分解为无毒、无害、无味的物质，不会造成二次污染。由图1～4可看出，本发明的空气净化材料可将空气中常见的有机污染物在很短的时间内彻底分解掉，无二次污染。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
附图说明
图1.本发明的空气净化材料对空气中氨气的净化效果；
图2.本发明的空气净化材料对空气中乙醛的净化效果；
图3.本发明的空气净化材料对空气中甲醛的净化效果；
图4.本发明的空气净化材料对空气中苯的净化效果；
具体实施方式
实施例1.
(1)室温下，将钛酸四丁酯1.6mol，四氯化锡0.1mol，氯化锌0.2mol，六氯化钨0.1mol(此时钛酸四丁酯占金属盐总量的80％)，加入到97.3mol的乙醇溶剂中，用超声波使金属盐分散均匀之后，得到透明的溶胶；
(2)将0.1mol的稳定剂甘油加入到所得到的透明溶胶中，强烈搅拌下缓慢滴加0.06mol盐酸催化剂，继续搅拌约0.1小时，生成含有部分水解的金属盐的混合物；
(3)将上述混合物静置老化3小时，即制得均匀分散的含有半导体纳米粒子的透明溶胶；
(4)将多孔玻璃载体浸泡在均匀分散的含有半导体纳米粒子中，静置0.5小时后取出，室温下干燥后，置于450℃的马弗炉中，保温1.5小时，得到空气净化材料。
该空气净化材料在紫外光照射下能实现快速、高效的空气净化。其在波长为365nm的紫外灯照射下，其对空气中氨气的净化效果如图1所示。
实施例2.
(1)室温下，将钛酸四乙酯9mol，醋酸锌0.7mol，六水二氯化锶0.2mol，钼酸铵0.1mol(此时钛酸四乙酯占金属盐总量的90％)，加入到88.1mol的丙酮溶剂中，用超声波使金属盐分散均匀之后，得到透明的溶胶；
(2)将1.8mol的乙二醇稳定剂加入到所得到的透明溶胶中，强烈搅拌下缓慢滴加0.1mol的醋酸催化剂，继续搅拌约0.5小时，生成含有部分水解的金属盐的混合物；
(3)将上述混合物静置老化4小时，即制得均匀分散的含有半导体纳米粒子的透明溶胶；
(4)将多孔陶瓷载体浸泡在均匀分散的含有半导体纳米粒子中，静置2小时后取出，室温下干燥后，置于720℃的马弗炉中，保温0.05小时，得到空气净化材料。
该空气净化材料在紫外光照射下能实现快速、高效的空气净化。
实施例3.
(1)室温下，将钛酸四异丙酯27.71mol，醋酸锡2mol，碱式乙酸铝二水1mol，钼酸铵0.89mol，五氯化铌1mol(此时钛酸异丙酯占金属盐总量的85％)，加入到98mol的乙醇溶剂中，用超声波使金属盐分散均匀之后，得到透明的溶胶；
(2)将5.4mol的1，3-丙二醇稳定剂加入到所得到的透明溶胶中，强烈搅拌下缓慢滴加1.63mol的盐酸催化剂，继续搅拌约1小时，生成含有部分水解的金属盐的混合物；
(3)将上述混合物静置老化3.5小时，即制得均匀分散的含有半导体纳米粒子的透明溶胶；
(4)将多孔玻璃载体浸泡在均匀分散的含有半导体纳米粒子中，静置1小时后取出，室温下干燥后，置于550℃的马弗炉中，保温1小时，得到空气净化材料。
该空气净化材料在紫外光照射下能实现快速、高效的空气净化。
实施例4.
(1)室温下，将钛酸(2-乙基己)酯3.2mol，六水硝酸锌0.6mol，二氯二氧化钨0.2mol(此时钛酸(2-乙基己)酯占金属盐总量的80％)，加入到95.02mol的正己烷溶剂中，用超声波使金属盐分散均匀之后，得到透明的溶胶；
(2)将0.9mol的一缩二乙二醇稳定剂加入到所得到的透明溶胶中，强烈搅拌下缓慢滴加0.08mol的硝酸催化剂，继续搅拌约1.5小时，生成含有部分水解的金属盐的混合物；
(3)将上述混合物静置老化5小时，即制得均匀分散的含有半导体纳米粒子的透明溶胶；
(4)将多孔玻璃载体浸泡在均匀分散的含有半导体纳米粒子中，静置1.5小时后取出，室温下干燥后，置于600℃的马弗炉中，保温1.2小时，得到空气净化材料。
该空气净化材料在紫外光照射下能实现快速、高效的空气净化。
实施例5.
(1)室温下，将钛酸四(十七)酯14.58mol，碳酸锌2.42mol，异丙氧基铝0.2mol，三氯化铟0.8mol(此时钛酸四(十七)酯占金属盐总量的81％)，加入到80.6mol的苯溶剂中，用超声波使金属盐分散均匀之后，得到透明的溶胶；
(2)将0.7mol的甘油稳定剂加入到所得到的透明溶胶中，强烈搅拌下缓慢滴加0.72mol的硫酸催化剂，继续搅拌约4小时，生成含有部分水解的金属盐的混合物；
(3)将上述混合物静置老化3.5小时，即制得均匀分散的含有半导体纳米粒子的透明溶胶；
(4)将多孔玻璃载体浸泡在均匀分散的含有半导体纳米粒子中，静置1.8小时后取出，室温下干燥后，置于500℃的马弗炉中，保温1小时，得到空气净化材料。
该空气净化材料在紫外光照射下能实现快速、高效的空气净化。其在波长为365nm的紫外灯照射下，其对空气中乙醛的净化效果如图2所示。
实施例6.
(1)室温下，将钛酸四丁酯20.47mol，二氯二氧化钨0.53mol，碳酸锶1mol，四氯硅烷0.5mol，四氯化锆0.5mol(此时钛酸四丁酯占金属盐总量的89％)，加入到73.0mol的乙醇溶剂中，用超声波使金属盐分散均匀之后，得到透明的溶胶；
(2)将3.1mol的乙二醇稳定剂加入到所得到的透明溶胶中，强烈搅拌下缓慢滴加0.81mol盐酸催化剂，继续搅拌约8小时，生成含有部分水解的金属盐的混合物；
(3)将上述混合物静置老化3小时，即制得含有半导体纳米粒子的透明溶胶；
(4)将多孔铝载体浸泡在含有半导体纳米粒子的透明溶胶中，静置0.5-2小时后取出，室温下干燥后，置于550～720℃的马弗炉中，保温0.05～1.5小时，得到空气净化材料。
该空气净化材料在紫外光照射下能实现快速、高效的空气净化。
实施例7.
(1)室温下，将二异丙氧基-二乙酰丙酮钛2.46mol，六氯化钨0.04mol，六水二氯化锶0.2mol，五氯化铌0.3mol(此时二异丙氧基-二乙酰丙酮钛占金属盐总量的82％)，加入到96.4mol的四氯化碳溶剂中，用超声波使金属盐分散均匀之后，得到透明的溶胶；
(2)将0.5mol的二缩三乙二醇稳定剂加入到所得到的透明溶胶中，强烈搅拌下缓慢滴加0.12mol盐酸催化剂，继续搅拌约2.5小时，生成含有部分水解的金属盐的混合物；
(3)将上述混合物静置老化6小时，即制得含有半导体纳米粒子的透明溶胶；
(4)将多孔铝载体浸泡在含有半导体纳米粒子的透明溶胶中，静置1.2小时后取出，室温下干燥后，置于500℃的马弗炉中，保温1.5小时，得到空气净化材料。
该空气净化材料在紫外光照射下能实现快速、高效的空气净化。
实施例8.
(1)室温下，将钛酸四乙酯5.67mol，碳酸锌0.8mol，碱式乙酸铝二水0.03mol，五水硝酸铟0.2mol，钼酸铵0.3mol(此时钛酸四乙酯占金属盐总量的81％)，加入到91.3mol的异丙醇溶剂中，用超声波使金属盐分散均匀之后，得到透明的溶胶；
(2)将1.5mol的甘油稳定剂加入到所得到的透明溶胶中，强烈搅拌下缓慢滴加0.18mol的硫酸催化剂，继续搅拌约7小时，生成含有部分水解的金属盐的混合物；
(3)将上述混合物静置老化3小时，即制得含有半导体纳米粒子的透明溶胶；
(4)将多孔玻璃载体浸泡在含有半导体纳米粒子的透明溶胶中，静置2小时后取出，室温下干燥后，置于650℃的马弗炉中，保温1小时，得到空气净化材料。
该空气净化材料在紫外光照射下能实现快速、高效的空气净化。其在波长为365nm的紫外灯照射下，其对空气中甲醛的净化效果如图3所示。
实施例9.
(1)室温下，将二正丁氧基-二(三乙醇胺)钛9.96mol，二氯二氧化钨0.04mol，六水二氯化锶1mol，五氯化铌0.7mol，五水硝酸锆0.3mol(此时二正丁氧基-二(三乙醇胺)钛占金属盐总量的83％)，加入到85.6mol的丙醇溶剂中，用超声波使金属盐分散均匀之后，得到透明的溶胶；
(2)将1.9mol的乙二醇稳定剂加入到所得到的透明溶胶中，强烈搅拌下缓慢滴加0.54mol的醋酸催化剂，继续搅拌约6.5小时，生成含有部分水解的金属盐的混合物；
(3)将上述混合物静置老化3.5小时，即制得含有半导体纳米粒子的透明溶胶；
(4)将多孔陶瓷载体浸泡在含有半导体纳米粒子的透明溶胶中，静置2小时后取出，室温下干燥后，置于720℃的马弗炉中，保温0.05～1.5小时，得到空气净化材料。
该空气净化材料在紫外光照射下能实现快速、高效的空气净化。
实施例10.
(1)室温下，将二羟基-二乳酸钛12.4mol，钛酸四异丙酯10mol，钛酸四丁酯2mol，四辛烯甘醇钛5mol，醋酸锌0.2mol，钼酸铵0.1mol，硅酸四丁酯0.3mol(此时二羟基-二乳酸钛占金属盐总量的98％)，加入到63.5mol的乙醇溶剂中，用超声波使金属盐分散均匀之后，得到透明的溶胶；
(2)将5.0mol的一缩二乙二醇稳定剂加入到所得到的透明溶胶中，强烈搅拌下缓慢滴加1.5mol的盐酸催化剂，继续搅拌约4小时，生成含有部分水解的金属盐的混合物；
(3)将上述混合物静置老化4小时，即制得含有半导体纳米粒子的透明溶胶；
(4)将多孔玻璃载体浸泡在含有半导体纳米粒子的透明溶胶中，静置0.5小时后取出，室温下干燥后，置于600℃的马弗炉中，保温1小时，得到空气净化材料。
该空气净化材料在紫外光照射下能实现快速、高效的空气净化。其在波长为365nm的紫外灯照射下，其对空气中苯的净化效果如图4所示。
实施例11.
在室温下，将四辛烯甘醇钛15.2mol，四氯化锡0.1mol，二氯二氧化钨0.1mol，碱式乙酸铝二水0.2mol，碳酸锶0.3mol，三氯化铟0.1mol(此时四辛烯甘醇钛占金属盐总量的95％)，加入到82.7mol的乙醇溶剂中，用超声波使金属盐分散均匀之后，得到透明的溶胶；
(2)将0.8mol的乙二醇稳定剂加入到所得到的透明溶胶中，强烈搅拌下缓慢滴加0.51mol的硫酸催化剂，继续搅拌约4.5小时，生成含有部分水解的金属盐的混合物；
(3)将上述混合物静置老化5小时，即制得含有半导体纳米粒子的透明溶胶；
(4)将多孔陶瓷载体浸泡在含有半导体纳米粒子的透明溶胶中，静置1.5小时后取出，室温下干燥后，置于550℃的马弗炉中，保温1.5小时，得到空气净化材料。
该空气净化材料在紫外光照射下能实现快速、高效的空气净化。
实施例12.
在室温下，将钛酸四异丙酯23mol，钛酸四(2-乙基己)酯，六水硝酸锌1mol，六氯化钨0.2mol，钼酸铵0.2mol，四溴硅烷0.6mol(此时钛酸四异丙酯占金属盐总量的92％)，加入到69.7mol的丙酮溶剂中，用超声波使金属盐分散均匀之后，得到透明的溶胶；
(2)将4.8mol的乙二醇稳定剂加入到所得到的透明溶胶中，强烈搅拌下缓慢滴加0.48mol的氨水催化剂，继续搅拌约3小时，生成含有部分水解的金属盐的混合物；
(3)将上述混合物静置老化5.5小时，即制得含有半导体纳米粒子的透明溶胶；
(4)将多孔陶瓷载体浸泡在含有半导体纳米粒子的透明溶胶中，静置0.5小时后取出，室温下干燥后，置于500℃的马弗炉中，保温1.5小时，得到空气净化材料。
该空气净化材料在紫外光照射下能实现快速、高效的空气净化。
Claims (12)
1.一种空气净化材料的制备方法，其特征在于：
(1)半导体纳米粒子的制备：
(a)室温下，将2～33mol的金属盐加入到64～98mol的有机溶剂中，用超声波使金属盐在有机溶剂中分散均匀，得到一种透明的溶液；其中，所述金属盐是由摩尔含量为80～98％的钛盐和2～20％的其它金属盐组成；
(b)将0.1～5.4mol的稳定剂加入到上述透明溶液中，室温下，在强烈搅拌下缓慢滴加0.06～1.63mol的催化剂，滴加完后，继续搅拌，生成含有部分水解的金属盐的混合物；
(c)将上述混合物静置老化，即制得均匀分散的含有半导体纳米粒子的透明溶胶；
(2)空气净化材料的制备：
将多孔材料载体浸泡在含有半导体纳米粒子的透明溶胶中，静置0.5～2小时后取出，室温下干燥后，置于450～720℃的马弗炉中，保温0.05～1.5小时，得到空气净化材料；
所述的其它金属盐包括四氯化锡、醋酸锡、氯化锌、醋酸锌、六水硝酸锌、碳酸锌、六氯化钨、二氯二氧化钨、碱式乙酸铝二水、无水氯化铝、异丙氧基铝、六水二氯化锶、碳酸锶、三氯化铟、五水硝酸铟、醋酸铟、钼酸铵、五氯化铌、四氯硅烷、四溴硅烷、硅酸四乙酯、硅酸四丁酯、二甲氧基二乙氧基硅烷、二甲基二氯硅烷、四氯化锆、五水硝酸锆或次氯酸锆。
2.如权利要求1所述的空气净化材料的制备方法，其特征在于：所述金属盐是由1～6种不同的钛盐和1～6种不同的其它金属盐混合组成；其中，所述的钛盐及其它金属盐各自是以任意比例混合。
3.如权利要求1或2所述的空气净化材料的制备方法，其特征在于：所述钛盐包括钛酸四丁酯、钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯、钛酸四(2-乙基己)酯、钛酸四(十七)酯、二异丙氧基-二乙酰丙酮钛、二正丁氧基-二(三乙醇胺)钛、二羟基-二乳酸钛或四辛烯甘醇钛。
4.如权利要求1所述的空气净化材料的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂是乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、丙酮、氯仿、正己烷、苯、甲苯或四氯化碳。
5.如权利要求1所述的空气净化材料的制备方法，其特征在于：所述稳定剂是乙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇、甘油或1，3-丙二醇。
6.如权利要求1所述的空气净化材料的制备方法，其特征在于：所述催化剂是盐酸、醋酸、硝酸、硫酸或氨水。
7.如权利要求1所述的空气净化材料的制备方法，其特征在于：搅拌时间为0.1～8小时。
8.如权利要求1-7所述的任意一项空气净化材料的制备方法所制备的空气净化材料，其特征在于：该空气净化材料由多孔材料载体和固定于其上的半导体纳米粒子光催化剂组成；所述的半导体纳米粒子为由摩尔含量为80～98％的TiO2纳米粒子和2～20％的金属氧化物纳米粒子组成。
9.如权利要求8所述的空气净化材料，其特征在于：所述的多孔材料载体是多孔玻璃、多孔陶瓷或多孔铝。
10.如权利要求8所述的空气净化材料，其特征在于：所述的金属氧化物纳米粒子是SnO2、ZnO、WO3、Al2O3、SrTiO3、In2O3、MoO3、Nb2O3、SiO2、ZrO2或它们之间的任意混合物。
11.如权利要求8或10所述的空气净化材料，其特征在于：所述的半导体纳米粒子的粒径为5～80nm之间。
12.如权利要求8-11所述的空气净化材料的用途，其特征在于：所述的空气净化材料用于空调器、暖风机设备中以净化室内空气，或用于汽车上以净化汽车尾气。
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