CN115350698B - 一种近红外光响应光催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近红外光响应光催化剂及其制备方法和应用,所述制备方法主要包括金属和非金属离子共掺杂、异质结结构形成两部分,反应条件温和,设备要求低,操作简单安全,整体成本低,制备的可近红外光响应光催化剂为液体,可通过喷涂或浸渍等方式施与各种基材上,自然条件下即可形成光催化剂薄膜,使用方便且不伤害基材,使用简单,便于推广;并且该光催化剂具有较宽的光谱响应,在近红外光波段有较强的吸收,900nm波长下其吸收强度不低于0.5abs,可用于空气污染治理、水体污染治理、工业废气治理、重金属降解、自清洁、除异味、除甲醛、抗菌、抗病毒、抗霉、抑螨等。

Description

一种近红外光响应光催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于光催化材料领域,具体涉及一种近红外光响应光催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
二氧化钛是安全无毒的半导体光催化材料,在紫外光的照射下可以产生电子和空穴,一部分电子和空穴可以及时有效的分离,电子具有强还原性,且在合适的条件下电子和空穴可以产生羟基自由基,羟基自由基的氧化电位为2.85V,略低于氟气2.866V,具有较强的氧化能力,较常用的用于杀菌消毒剂,如过氧化氢1.776V、次氯酸1.61 V、二氧化氯1.50V等,具有更强的降解污染物的能力。
纯相二氧化钛的禁带宽度为3.2eV,光吸收仅限于紫外光区,而太阳光谱中紫外波段中仅蕴含了约7%的能量,且有一部分被臭氧阻隔,而可见光和近红外光区域的能量约占50%与43%。提高二氧化钛光催化剂对于可见光和近红外光波段光能的吸收,是一个非常有意义的研究课题。石原产业株式会社开发的可见光活性光触媒为硫掺杂的纳米二氧化钛黄色粉末。于洪霞等人在专利CN110652994中报道了氮掺杂的纳米二氧化钛的制备,制备过程中需用马弗炉400-600℃煅烧得到氮掺杂的纳米二氧化钛,可用于抗生素的降解。专利CN110882699A报道了基于二氧化钛的包括TiO2 、Ce2O3、Cu2O三重异质结结构的光触媒的制备,在可见光灯的照射下,对有机污染物的降解效率明显提高。中国科学院上海硅酸盐研究所专利CN110935449A报道了黑色二氧化钛基光触媒及其制备方法,该黑色二氧化钛基光触媒共掺杂元素包括金属掺杂元素为Fe、Co、Ni、Cu、Zn、W、Ti、Ru、Nb、La、Gd、Sm、Nd中的至少一种,非金属掺杂元素为H、B、C、N、P、S、I、F中的至少一种。可通过溶胶凝胶法得到的淡黄色粉末置于400~600℃条件下热处理后最终得到共掺杂二氧化钛,共掺杂TiO2与负载基底氧化石墨烯复合制备黑色二氧化钛基光触媒材料,取0.1g黑色二氧化钛基光触媒材料样品对10mg/L甲基橙进行降解测试对10ppm甲基橙进行降解测试,4min分解可达95%以上,但并未描述光源条件。保罗等人在专利CN104582675A 中提供了磷酸盐包覆的二氧化钛(TiO2)纳米粒子,用于口腔保健,杀灭牙齿表面细菌。LG电子株式会社在专利CN105992916中报道了磷酸银与纳米二氧化钛的混合物用于家用电器的壳体,用于去除异味。日本信越化学工业株式会社在专利JP6394788中公布的可见光光催化剂组成为锡、钼等金属掺杂的纳米二氧化钛粒子。
尽管采用了各种手段提高二氧化钛光催化剂的催化性能,但现有光催化剂的光谱响应范围仍然较窄,且现有光催化剂的制备绝大多数采用的是溶胶凝胶法,几百度的煅烧处理工艺,需要消耗大量能源,设备要求高,整体生产成本较大;进一步,现有光催化剂以固态形式进行利用,应用范围有限且利用率较低。因此,提高二氧化钛光催化活性、降低生产成本以及拓宽应用方式进而将其广泛应用到生活实际中是目前的研究的重点和难点,这也对于光催化技术推广至商业化应用具有重要的推动意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足,提供一种液态近红外光响应光催化剂的制备方法,以提高光催化剂的催化性能,降低光催化剂的制备成本,丰富光催化剂应用方式。
为了实现以上目的,本发明所采用的技术方案是:一种可近红外光响应光催化剂的制备方法,包括以下步骤:
1)、将钛源与化合物A溶于水中,然后加入可溶性氢氧化物或氨水调节pH,搅拌,收集沉淀,过滤、水洗后再将沉淀用水分散,得到悬浊液,在悬浊液中加入双氧水,搅拌,得到金属和非金属离子共掺杂的过氧钛酸的溶液;
所述钛源为硫酸氧钛、四卤化钛、四烷氧基钛中的任意一种;
化合物A为可溶性金属卤化物、金属硫酸盐、金属硝酸盐中的任意一种;
所述卤化物为氟化物、氯化物、溴化物、碘化物中的任意一种;
所述可溶性氢氧化物为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铷、氢氧化铯中的任意一种
所述pH的范围为5~12,优选为6~10;
所述金属和非金属离子共掺杂中的金属为Na、K、Li、Cs、Fe、Cu、Zn、Ce、Al、Si中的一种或多种,非金属为Cl、Br、F、I、S、N中的一种或多种;
分散沉淀所用水与钛源的摩尔比为30~8000∶1,优选为80~5000∶1;
双氧水与钛源的摩尔比为1~10:1,优选2~7:1;反应温度为10~70℃,优选25~50℃;反应时间为1~10h,优选2~8h;
2)、将异质结结构组分加入步骤1)得到的过氧钛酸的溶液中,在搅拌下得到液态纳米二氧化钛光催化剂;
所述异质结结构组分与过氧钛酸的摩尔配比为0.01~5:1,优选0.01~3.5:1,反应温度为20~100℃,优选40~90℃,反应时间为2~12h,优选4~10h;
所述异质结结构组分为正硅酸四乙酯、正硅酸四甲酯、甲基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、纳米二氧化硅、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、纳米氧化铝、烷氧基铝中的任意一种或多种。
一种可近红外光响应光催化剂,由上述制备方法制备得到;
本发明制备的光催化剂可应用于空气污染治理、水体污染治理、工业废气治理、重金属降解、自清洁、除异味、除甲醛、抗菌、抗病毒、抗霉、抑螨;
本发明制备的光催化剂可通过喷涂或浸渍负载在各种载体上,所述载体包括活性炭、氧化硅、氧化铝、硅藻土、分子筛、各种织物、皮革、聚合物材料;
本发明制备的光催化剂可通过浓缩手段处理为固态。
本发明取得的有益效果:
本发明不需高温处理,避免了高温处理所带来的能源浪费以及设备成本需求,并且不需要有机溶剂参与,反应条件温和,设备要求低,操作简单安全,整体成本低,易工业放大,具有较好的应用价值及社会意义;
本发明提供的可近红外光响应光催化剂具有较宽的光谱响应,在近红外光波段有较强的吸收,900nm波长下其吸收强度不低于0.5abs,粒径小于50纳米,成膜下对1000ppm甲基橙进行降解测试,10s内降解可达95%以上;可用于空气污染治理、水体污染治理、工业废气治理、重金属降解、自清洁、除异味、除甲醛、抗菌、抗病毒、抗霉、抑螨等;
本发明制备得到的光催化剂为液体,可单独或与其他成分混合后通过喷涂或浸涂等方式施与各种基材上,自然条件下即可形成光催化剂薄膜,使用方便且不伤害基材,并且可以通过浓缩手段提高浓度或处理为固态使用(但是处理得到的固态催化剂的使用效果会有所降低),使用方式灵活多样,便于推广。
附图说明
图1为实施例1制备的二氧化钛基光催化剂SEM图;
图2为实施例1制备的二氧化钛基光催化剂紫外可见光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施对本发明作更进一步的说明。
实施例1
将16g硫酸氧钛、三氯化铝1.5g、80g水加入配有搅拌、冷凝管的玻璃三口烧瓶中,然后加入氢氧化锂5.4g,pH约6.8,搅拌生成大量沉淀,过滤、水洗,滤饼用380g水分散后,加入64g 27%双氧水,室温下搅拌5h,得到掺杂的过氧钛酸,滴加正硅酸四乙酯5g,升温至80℃下,搅拌反应9h,冷却后得到可近红外光响应的光催化剂液体,经紫外可见分光光度计检测,在900nm波长下其吸光度为1.1 abs,其粒径约22nm。
实施例2
将10g硫酸氧钛、2g氯化锌、40g水加入配有搅拌、冷凝管的玻璃三口烧瓶中,然后加入氢氧化钠6.9g,pH约8,搅拌生成大量沉淀,过滤、水洗,滤饼用460g水分散后,加入30g27%双氧水,室温下搅拌3h,得到掺杂的过氧钛酸,然后向其中加入20nm左右纳米二氧化硅溶液15g,加热至70℃下,搅拌反应7h,冷却后得到可近红外光响应的光催化剂液体,经紫外可见分光光度计检测,在900nm波长下其吸光度为1.0 abs,其粒径约28nm。
实施例3
将16g四氯化钛、2g三氯化铁、100g水在搅拌下加到配有搅拌、冷凝管的玻璃三口烧瓶中,然后加入氨水20g,pH约9,搅拌、过滤、水洗,将滤饼用300g水分散后,加入80g 27%双氧水,室温下搅拌4h,得到掺杂的过氧钛酸,然后滴加γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷6.5g,升温至90℃下,搅拌反应9h,冷却后得到可近红外光响应的光催化剂液体,经紫外可见分光光度计检测,在900nm波长下其吸光度为1.7 abs,其粒径约20nm。
甲基橙降解
将实施例1制备的纳米光催化剂进行甲基橙降解试验,甲基橙溶液浓度为1000ppm和40ppm,采用紫外可见分光光度计(普析 TU-1901)进行分析,光催化剂实施形态及试验结果如表1所示:
表1
甲醛降解
将实施例2制备的纳米光催化剂进行甲醛降解试验,甲醛浓度为10ppm,甲醛含量测试方法采用酚试剂分光光度法(GB/T 16129);分析采用紫外可见分光光度计(普析 TU-1901),光催化剂实施形态及试验结果如表2所示;
表2
光催化剂成膜方式降解甲醛的另一方式:
基材成膜测试方式及结果具体如下:
购买含有甲醛的木质书柜三个(来自网络平台),放置于约18m2的房间,房间朝北且位于一楼,冬季室温,采样方式参考GB/T 18883-2002,测试光触媒催化剂处理前房间内的甲醛含量,然后采用喷雾的方式将书柜进行处理,处理方式书柜每个点喷涂1~2下,液体光催化剂用量约5mL/m2,用量共计150mL,拉上窗帘,关闭房门,测试放置书柜的房间经光触媒喷涂成膜后室内甲醛含量的变化,并跟踪两百多天考察光催化剂长期催化性能,测试结果如表3所示;
表3
重金属降解
将实施例3制备的纳米光催化剂进行重金属(重铬酸钾)降解试验,重铬酸钾浓度为1000ppm,六价铬可与二苯碳酰二肼反应(DPC),生成紫红色化合物,可用紫外可见分光光度计进行分析,检测波长为540nm;光催化剂实施形态及试验结果如表4所示;
表4
根据以上各表的记载以及本领域客观事实可知,目前多数二氧化钛光催化剂多采用溶胶凝胶法,其纳米二氧化钛离子是在高温的过程中脱水形成网格结构的纳米离子,使用方式是将制备的固体光催化剂在分散剂、稳定剂、表面活性剂等作用下形成稳态的液态溶胶,该溶胶在光的作用下形成的羟基自由基必然会与溶液中的分散剂、稳定剂、表面活性剂等等有机成分反应,消耗掉活性氧,造成活性氧的消耗;而本发明制备得到的直接为纳米二氧化钛液态溶胶,不需要加入以上有机稳定成分,可以直接通过喷涂或者浸渍的方式使光催化剂成膜进行使用,简单高效;而将本发明制备的液体光催化剂通过干燥、浓缩方式得到固体光催化剂,再将固体光催化剂采用现有光催化剂的使用方式进行使用,反而会降低本发明制备的光催化剂的效果,表明液体光催化剂通过喷涂或者浸渍的方式使光催化剂成膜是本发明所得产品的最佳使用方式。
本发明提供的光催化剂根据卫生部《消毒技术规范》(2002年版)进行急性经口毒性试验(小鼠),光催化剂样品雌雄两性小鼠经口LD50大于5.0g/kg,属于实际无毒类。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可近红外光响应光催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)、将钛源与化合物A溶于水中,然后加入可溶性氢氧化物或氨水调节pH,搅拌,收集沉淀,过滤、水洗后再将沉淀用水分散,得到悬浊液,在悬浊液中加入双氧水,搅拌,得到金属和非金属离子共掺杂的过氧钛酸的溶液;
所述钛源为硫酸氧钛、四卤化钛、四烷氧基钛中的任意一种;
化合物A为可溶性金属卤化物、金属硫酸盐、金属硝酸盐中的任意一种;
所述卤化物为氟化物、氯化物、溴化物、碘化物中的任意一种;
所述可溶性氢氧化物为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铷、氢氧化铯中的任意一种;
所述pH的范围为5~12;
所述金属和非金属离子共掺杂中的金属为Na、K、Li、Cs、Fe、Cu、Zn、Ce、Al、Si中的一种或多种,非金属为Cl、Br、F、I、S、N中的一种或多种;
分散沉淀所用水与钛源的摩尔比为30~8000∶1;
双氧水与钛源的摩尔比为1~10:1,反应温度为10~70℃,反应时间为1~10h;
2)、将异质结结构组分加入步骤1)得到的过氧钛酸的溶液中,在搅拌下得到液态纳米二氧化钛光催化剂;
所述异质结结构组分与过氧钛酸的摩尔配比为0.01~5:1,反应温度为20~100℃,反应时间为2~12h;
所述异质结结构组分为正硅酸四乙酯、正硅酸四甲酯、甲基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、纳米二氧化硅、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、纳米氧化铝、烷氧基铝中的任意一种或多种。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述pH的范围为6~10,分散沉淀所用水与钛源的摩尔比为80~5000∶1。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中,双氧水与钛源的摩尔比为2~7:1,反应温度为25~50℃,反应时间为2~8h。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述异质结结构组分与过氧钛酸的摩尔配比为0.01~3.5:1。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2)的反应温度为40~90℃,反应时间为4~10h。
6.一种可近红外光响应光催化剂,由权利要求1-5任一所述的制备方法制备得到。
7.根据权利要求6所述的光催化剂,其特征在于,所述光催化剂可通过浓缩手段处理为固态。
8.权利要求6所述光催化剂在空气污染治理、水体污染治理、工业废气治理、重金属降解、自清洁、除异味、除甲醛、抗菌、抗病毒、抗霉、抑螨中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于,所述光催化剂通过喷涂或浸渍负载在各种载体上。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于,所述载体包括活性炭、氧化硅、氧化铝、硅藻土、分子筛、各种织物、皮革、聚合物材料。
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