CN113617347A - 一种光催化滤网、空气净化器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光催化滤网、空气净化器及其制备方法，涉及光催化材料技术领域。其包括：将滤网主体在强碱溶液中进行水热处理，以使得滤网主体表面生长有二氧化钛纳米线，然后煅烧；滤网主体为钛网或钛合金网。通过在强碱溶液中水热处理，可以使得钛网或钛合金网表面形成二氧化钛纳米线，经过煅烧可以制备得到锐钛矿型光催化滤网。经测试，该光催化滤网具有对甲醛、苯、甲苯等多种有害气体优良的光催化分解性能。此外，本发明提供的制备方法对设备要求低、过程操作十分简单、在空气净化材料行业前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及光催化材料技术领域，具体而言，涉及一种光催化滤网、空气净化器及其制备方法。
背景技术
目前，工业废气和汽车尾气的排放造成居民生活环境的极大破坏，同时室内装修建筑材料排放的苯、甲醛等挥发性有机化合物(VOC)更是加剧了室内空气污染状况，对人们的生活环境和身体健康造成巨大威胁。通常人们主要采用开窗通气、绿植吸收以及活性炭吸附等方法来降低室内空气污染物浓度，然而这些被动的处理手段对室内的空气质量提升有限，难以从根本上解决VOC的危害。因此，设计一种能从本质上将VOC分解去除的材料具有十分重要的意义。
光催化技术是近年来受到人们广泛关注的绿色环保大气处理手段，它通过光触媒吸收太阳光，产生的超氧自由基、羟基自由基等可以将VOC分解成为二氧化碳和水分子(无害物质)，具有操作简单无污染的明显优势，因此，在室内空气净化领域具有较好的应用前景。
目前市场上多采用TiO2粉末分散在溶剂中作为光触媒来使用，VOC分解效果不明显，同时悬浮在空气中的TiO2纳米微粒容易对人体的上呼吸道造成危害。另外一种常见的方式是将TiO2粉末通过旋涂方式制成薄膜作为空气净化器滤芯使用，但是其比表面积小，电子空穴复合率高，VOC光催化分解效率有限。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光催化滤网、空气净化器及其制备方法以解决上述技术问题。
发明人发现，一维纳米线具有更大的比表面，有利于实现VOC分子在其表面的吸附，同时存在的一维结构能够为电子传输提供快速分离通道，光催化效率相对于传统的粉末和膜结构具有明显提升，应用在空气净化领域具有广阔潜力。发明人选用钛网/钛合金代替传统的铝合金、纤维等作为纱窗材料，并通过水热法在其表面原位生长TiO2纳米线阵列，并通过煅烧制备具有高效光催化性能的锐钛矿滤网。
本发明是这样实现的：
本发明提供了一种光催化滤网的制备方法，其包括：将滤网主体在强碱溶液中进行水热处理，以在滤网主体表面原位生长形成二氧化钛纳米线，然后热处理以形成锐钛矿相二氧化钛纳米线；滤网主体为钛网或钛合金网。
通过在强碱溶液中水热处理，可以使得钛网或钛合金网表面形成二氧化钛纳米线阵列，经过煅烧可以制备得到锐钛相光催化滤网。该光催化滤网具有对有害气体优良的光催化分解性能。有害气体为甲醛、苯、甲苯等。
本发明提供的制备方法对实验设备要求低、且操作简单、生产成本低廉，重现性好，在空气净化材料行业前景广阔。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述水热处理的温度为140～200℃，优选地，水热处理的时间为6～24小时。
在上述水热处理条件下可以原位生成分布均匀的二氧化钛纳米线。若水热处理温度低于140℃或高于200℃，则会导致二氧化钛纳米线无法生成，进而导致光催化滤网无法生成。
在一种可选的实施方式中，上述水热处理的温度包括不限于140℃，150℃，160℃，170℃，180℃，190℃或200℃。
在一种实施方式中，上述水热处理是在水热反应釜中进行，即将滤网主体置于强碱溶液中，转移至反应釜中。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述强碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化铯、氢化钠、氢化钾、叔丁醇钠、叔丁醇钾、季铵碱、季鏻碱和胍类化合物中的一种或两种组成的混合物。
在一种实施方式中，上述季铵碱为四烷基季铵碱和/或烷基上有羟基取代基的季铵碱；例如胆碱。季鏻碱为四烷基季鏻碱和/或烷基上有羟基取代基的季鏻碱。在其他实施方式中，上述强碱还可以是季铵碱的盐或季鏻碱的盐。
在一种实施方式中，上述胍类化合物为四甲基胍。
在一种实施方式中，上述强碱溶液的浓度为5-15mol/L。可以为5mol/L，6mol/L，7mol/L，8mol/L，9mol/L，10mol/L，11mol/L，12mol/L，13mol/L，14mol/L或15mol/L。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述热处理为煅烧；煅烧的温度为350～600℃，恒温时间为3～8小时，优选地，煅烧的升温速率为2～8℃/min。在上述煅烧条件下可以控制以较低的成本实现锐钛矿型结构滤网的制备。而锐钛矿结构具有光触媒(光催化)的效果。若煅烧温度低于350℃，锐钛型结构的滤网难以形成，大大影响滤网的光催化效率。
在一种实施方式中，热处理为煅烧，煅烧温度为400-600℃，恒温时间为4-6小时。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述在水热处理前还包括对滤网主体进行预处理。通过预处理以清洁滤网表面，防止油脂的渗入影响后续流程的清洁度。同时也可以去除氧化膜和残留在滤网表面的杂物，以方式纳米线的生长。
在一种实施方式中，上述预处理是指对滤网主体进行除油酸洗。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述除油酸洗是指将滤网主体置于有机溶剂中进行超声清洗除油，在酸溶液中去除表面氧化膜。超声处理可以增强除油的效果。超声的频率可以根据需要进行调整。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述有机溶剂选自丙酮、乙酸乙酯、四氯化碳、甲醇、氯仿、二氯甲烷和乙醇中的至少一种，超声时间为5～15分钟。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述酸溶液为磷酸、氢氟酸、盐酸和醋酸中的至少一种，酸溶液的体积浓度为5～20％。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述钛合金选自α型钛合金、α+β型钛合金、β型钛合金、3D打印钛合金、含镁钛合金或TiNi形状记忆钛合金。
α型钛合金可为纯钛系列，α+β型钛合金可为Ti6Al4V、Ti6A17Nb和TiSAl2等，β型钛合金可为Ti12Mo6Zr2Fe等。除此之外，近年来兴起的3D打印钛合金、含镁钛合金等，也均可作为本发明中的钛合金原料，使用本发明中的方法进行处理。
在其他实施方式中，上述钛合金可以是TA0、TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA9、TA10和TC4中的任意一种。
本发明还提供了一种由上述光催化滤网的制备方法制备的光催化滤网。该滤网在光催化条件下可有效地将有害气体分子分解成无害成分，可以用于空气净化器上，释放出干净气体，达到净化空气的作用。
一种空气净化器，其包括滤芯，滤芯包括光催化滤网的制备方法制备的光催化滤网。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种光催化滤网的制备方法，通过在强碱溶液中水热处理，可以使得钛网或钛合金网表面形成二氧化钛纳米线，经过煅烧可以制备得到锐钛矿型光催化滤网。经测试，该光催化滤网具有对甲醛、苯、甲苯等多种有害气体优良的光催化分解性能。此外，本发明提供的制备方法对实验设备要求低、且操作简单、生产成本低廉，重现性好，在空气净化材料行业前景广阔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1制备的光催化滤网的滤网直观图；
图2为实施例1制备的光催化滤网的微观图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种光催化滤网的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将滤网原料钛网在丙酮中超声5分钟去除表面油污，在体积浓度为5％的磷酸溶液中清洗去除表面氧化膜。
(2)将钛网置于5mol/L的氢氧化钠溶液中，然后转移到水热反应釜中，在140℃保温6小时，在滤网表面原位生成TiO2纳米线。
(3)将水热处理后的材料在350℃高温煅烧3小时，煅烧的升温速率为2℃/min，制备具有高效光催化性能的空气净化器用滤网。
实施例2
本实施例提供了一种光催化滤网的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将滤网原料钛网在乙酸乙酯中超声10分钟去除表面油污，在体积浓度为10％的氢氟酸溶液中清洗去除表面氧化膜。
(2)将钛网置于10mol/L的氢氧化钠溶液中，然后转移到水热反应釜中，在180℃保温12小时，在滤网表面原位生成TiO2纳米线。
(3)将水热处理后的材料在450℃高温煅烧6小时，煅烧的升温速率为4℃/min，制备具有高效光催化性能的空气净化器用滤网。
实施例3
本实施例提供了一种光催化滤网的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将滤网原料钛网在四氯化碳中超声15分钟去除表面油污，在体积浓度为20％的盐酸溶液中清洗去除表面氧化膜。
(2)将钛网置于15mol/L的氢氧化钠溶液中，然后转移到水热反应釜中，在200℃保温24小时，在滤网表面原位生成TiO2纳米线。
(3)将水热处理后的材料在500℃高温煅烧8小时，煅烧的升温速率为8℃/min，制备具有高效光催化性能的空气净化器用滤网。
实施例4
本实施例提供了一种光催化滤网的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将钛合金网Ti6Al4V在氯仿中超声5分钟去除表面油污，在体积浓度为5％的醋酸溶液中清洗去除表面氧化膜。
(2)将钛合金网Ti6Al4V置于5mol/L的氢氧化钾溶液中，然后转移到水热反应釜中，在150℃保温10小时，在钛合金网表面原位生成TiO2纳米线。
(3)将水热处理后的材料在500℃高温煅烧3小时，煅烧的升温速率为6℃/min，制备具有高效光催化性能的空气净化器用滤网。
实施例5
本实施例提供了一种光催化滤网的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将钛合金网TC4在二氯甲烷中超声10分钟去除表面油污，在浓度为5％的盐酸溶液中清洗去除表面氧化膜。
(2)将钛合金网TC4置于5mol/L的四烷基季铵碱溶液中，然后转移到水热反应釜中，在190℃保温10小时，在钛合金网表面原位生成TiO2纳米线。
(3)将水热处理后的材料在550℃高温煅烧3小时，煅烧的升温速率为3℃/min，制备具有高效光催化性能的空气净化器用滤网。
对比例1
与实施例1相比，区别仅在于，本实施例中水热处理条件为：120℃，保温6小时。其余条件相同。
对比例2
与实施例1相比，区别仅在于，本实施例中水热处理条件为：220℃，保温6小时。其余条件相同。
对比例3
与实施例1相比，区别仅在于，本实施例中煅烧条件为：280℃，煅烧3小时，煅烧的升温速率为2℃/min。其余条件相同。
实验例1
本实验例对实施例1制备的光催化滤网材料进行表征，参照图1和图2所示。本实验例进行光催化效率测试实验。
将实施例1制备的光催化滤网材料((0.1mm2))分别置于装有有害气体(有害气体的标准浓度为(1mg/m3))的石英反应器中，在1个太阳光强(100mW/cm2)下照射其表面，每隔30分钟测定各石英反应器中的甲醛、苯和甲苯的浓度，然后计算气体的分解率(η％＝(C0-C)/C0×100％)，数据见表1：
表1实施例1的有害气体分解率表。
实验例2
本实验例进行实施例2的光催化效率测试实验。
将实施例2制备的光催化滤网材料((0.1mm2))分别置于装有有害气体(有害气体的标准浓度为(1mg/m3))的石英反应器中，在3个太阳光强下照射其表面，每隔30分钟测定各石英反应器中的甲醛、苯和甲苯的浓度，然后计算气体的分解率，数据见表2：
表2实施例2的有害气体分解率表。
实验例3
本实验例进行实施例3的光催化效率测试实验。
将实施例3制备的光催化滤网材料((0.1mm2))分别置于装有有害气体(有害气体的标准浓度为(1mg/m3))的石英反应器中，在5个太阳光强下照射其表面，每隔30分钟测定各石英反应器中的甲醛、苯和甲苯的浓度，然后计算气体的分解率，数据见表3：
表3实施例3的有害气体分解率表。
实验例4
本实验例进行实施例4的光催化效率测试实验。
将实施例4制备的光催化滤网材料((0.1mm2))分别置于装有有害气体(有害气体的标准浓度为(1mg/m3))的石英反应器中，在1个太阳光强下照射其表面，每隔30分钟测定各石英反应器中的甲醛、苯和甲苯的浓度，然后计算气体的分解率，数据见表4：
表4实施例4的有害气体分解率表。
实验例5
本实验例进行实施例5的光催化效率测试实验。
将实施例5制备的光催化滤网材料((0.1mm2))分别置于装有有害气体(有害气体的标准浓度为(1mg/m3))的石英反应器中，在1个太阳光强下照射其表面，每隔30分钟测定各石英反应器中的甲醛、苯和甲苯的浓度，然后计算气体的分解率，数据见表5：
表5实施例5的有害气体分解率表。
实验例6
本实验例进行对比例1的光催化效率测试实验。
将对比例1制备的光催化滤网材料((0.1mm2))分别置于装有有害气体(有害气体的标准浓度为(1mg/m3))的石英反应器中，在1个太阳光强下照射其表面，每隔30分钟测定各石英反应器中的甲醛、苯和甲苯的浓度，然后计算气体的分解率，数据见表6：
表6对比例1的有害气体分解率表。
实验例7
本实验例进行对比例2的光催化效率测试实验。
将对比例2制备的光催化滤网材料((0.1mm2))分别置于装有有害气体(有害气体的标准浓度为(1mg/m3))的石英反应器中，在1个太阳光强下照射其表面，每隔30分钟测定各石英反应器中的甲醛、苯和甲苯的浓度，然后计算气体的分解率，数据见表7：
表7对比例2的有害气体分解率表。
实验例8
本实验例进行对比例3的光催化效率测试实验。
将对比例3制备的光催化滤网材料((0.1mm2))分别置于装有有害气体(有害气体的标准浓度为(1mg/m3))的石英反应器中，在1个太阳光强下照射其表面，每隔30分钟测定各石英反应器中的甲醛、苯和甲苯的浓度，然后计算气体的分解率，数据见表8：
表8对比例3的有害气体分解率表。
将将实验例1～8的有害气体最高分解率汇集在表9，如下所示：
表9实验例1～8的有害气体最高分解率对照表
由上表9实验结果可知，当水热处理温度和后续煅烧温度不在本发明专利提供的范围时，光催化性能会显著下降。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光催化滤网的制备方法，其特征在于，其包括：将滤网主体在强碱溶液中进行水热处理，以在所述滤网主体表面原位生长形成二氧化钛纳米线，然后热处理以形成锐钛矿相二氧化钛纳米线；
所述滤网主体为钛网或钛合金网。
2.根据权利要求1所述的光催化滤网的制备方法，其特征在于，所述水热处理的温度为140～200℃，优选地，所述水热处理的时间为6～24小时。
3.根据权利要求1或2所述的光催化滤网的制备方法，其特征在于，所述强碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化铯、氢化钠、氢化钾、叔丁醇钠、叔丁醇钾、季铵碱、季鏻碱和胍类化合物中的一种或几种组成的混合物；
优选地，所述季铵碱为四烷基季铵碱和/或烷基上有羟基取代基的季铵碱；所述季鏻碱为四烷基季鏻碱和/或烷基上有羟基取代基的季鏻碱；
优选地，所述胍类化合物为四甲基胍；
优选地，所述强碱溶液的浓度为5-15mol/L。
4.根据权利要求1所述的光催化滤网的制备方法，其特征在于，所述热处理为煅烧；所述煅烧的温度为350～600℃，恒温时间为3～8小时，优选地，所述煅烧的升温速率为2～8℃/min。
5.根据权利要求1所述的光催化滤网的制备方法，其特征在于，在水热处理前还包括对滤网主体进行预处理；
优选地，所述预处理是对滤网主体进行除油酸洗。
6.根据权利要求5所述的光催化滤网的制备方法，其特征在于，所述除油酸洗是指将所述滤网主体置于有机溶剂中进行超声清洗除油，然后在酸溶液中去除表面氧化膜；优选地，所述超声时间为5～15分钟。
7.根据权利要求6所述的光催化滤网的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂选自丙酮、乙酸乙酯、四氯化碳、甲醇、氯仿、二氯甲烷和乙醇中的至少一种；优选地，所述酸为磷酸、氢氟酸、盐酸和醋酸中的至少一种，所述酸溶液的体积浓度为5～20％。
8.根据权利要求1所述的光催化滤网的制备方法，其特征在于，所述钛合金选自α型钛合金、α+β型钛合金、β型钛合金、3D打印钛合金、含镁钛合金或TiNi形状记忆钛合金。
9.一种由权利要求1-8任一项所述的光催化滤网的制备方法制备的光催化滤网。
10.一种空气净化器，其特征在于，其包括滤芯，所述滤芯包括权利要求1-8任一项所述的光催化滤网的制备方法制备的光催化滤网。
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