CN115770562B - 一种网状二氧化钛光触媒材料、制备方法及其应用和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网状二氧化钛光触媒材料、制备方法及其应用和设备，所述网状二氧化钛光触媒材料，包括金属网，其中，所述金属网表面涂覆二氧化硅涂层，所述二氧化硅涂层上负载二氧化钛涂层。本发明通过在金属网上涂覆二氧化硅涂层，避免了金属离子扩散进光触媒材料，导致光触媒材料中毒的问题，其制备的网状二氧化钛光触媒材料有效避免了粉末状填料在废水、废气处理中易团聚现象的发生，具有较好的长期稳定性。同时，本发明的光触媒材料的损失小，稳定性好，无需频繁更换填料，相比现有技术，成本更低，操作更为简便。

Description

一种网状二氧化钛光触媒材料、制备方法及其应用和设备

技术领域

本发明属于光催化技术领域，具体为一种网状二氧化钛光触媒材料、制备方法及其应用和设备。

背景技术

光触媒是具备光催化效果的纳米半导体材料的总称，例如TiO₂、Fe₂O₃、SiO₂等，其中纳米TiO₂具有比表面积大、表面张力大、熔点低、磁性强、光吸收性能好，特别是吸收紫外线的能力强、表面活性大、热导性能好、分散性好等特点，被广泛应用。

但纯净的TiO₂光触媒催化效果较差，催化周期较长。因此，如何改性TiO₂光触媒，成为近年来科研的重点。

TiO₂复合载体材料是近几年为提高TiO₂光催化活性而提出的新方法，这种方法主要是利用载体材料吸附性强、比表面积大、无毒以及耐腐蚀性强等优点，以膨润土、硅藻土、新型碳材料等为载体材料组成复合体系。常用的负载方法有粉体烧结法、溶胶凝胶法、沉积法、溅射法、水热法等。其中，粉体烧结法直接采用超声分散等方法把TiO₂粉末与一定溶液制成悬浊液并用载体浸渍，沉积一定的TiO₂颗粒后干燥焙烧就可简易获得，这种方法可大规模生产且催化剂活性较高，但稳定性与再生性较差。溶胶凝胶法以无机钛盐，或钛醇盐为前躯体，通过外力搅拌在一定介质中水解、缩合形成溶胶，再陈化成凝胶，通过浸渍提拉、旋转涂布或喷涂的方法负载到载体上之后高温焙烧即可获得，虽然操作相对复杂，但反应过程温和、容易控制。沉积法是指通过激光、高温等方法使TiO₂成为蒸汽或分散度较高的液相，再在低温下接触载体，并凝结在载体上形成薄膜的一种方法，常压下即可进行，所需设备简单但膜的均匀性较差。溅射法也叫等离子体处理法，气体中的等离子体在电场与磁场的作用下具有很高的速度与能量，这些等离子体轰击TiO₂固体的表面，使Ti⁴⁺离子脱离TiO₂的晶格逸出，转移并沉积到载体表面形成薄膜，但是，由于溅射法需在电场或磁场中操作，所需温度较高，故载体材料对温度要求比较高。

CN108855169A公开了一种用作填料的多孔碳化硅/改性TiO₂复合光催化剂制备方法，首先将石墨烯加入到无水乙醇和去离子水中，超声分散处理制得石墨烯溶液A；再将TiO₂加入无水乙醇中，超声分散后加入到石墨烯溶液A中，调节溶液pH值，制得溶液B；把多孔碳化硅粉末加入到无水乙醇和去离子水中，超声分散处理后加入到溶液B中，经搅拌形成凝胶；将凝胶转移到反应釜中，在200℃下反应12小时，干燥后经研磨制得粉末状多孔碳化硅/改性TiO₂复合光催化剂。该发明利用多孔碳化硅吸附与纳米TiO₂光催的协同作用，提高了TiO₂光催化效率，但该发明为粉末状填料，在废水、废气处理中极易团聚，导致长期催化效率差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种网状二氧化钛光触媒材料、制备方法及其应用和设备，通过在金属网上涂覆二氧化硅涂层，避免了金属离子扩散进光触媒材料，导致光触媒材料中毒的问题，其制备的网状二氧化钛光触媒材料有效避免了粉末状填料在废水、废气处理中易团聚现象的发生，具有较好的长期稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种网状二氧化钛光触媒材料，包括金属网，其中，所述金属网表面涂覆二氧化硅涂层，所述二氧化硅涂层上负载二氧化钛涂层。

优选地，所述二氧化硅涂层由摩尔比1:2:5-30的正硅酸乙酯、水和无水乙醇制备而成。

进一步优选地，所述二氧化硅涂层由摩尔比1:2:16的正硅酸乙酯、水和无水乙醇制备而成。

进一步优选地，所述二氧化硅涂层还包括盐酸，所述盐酸的加入量为正硅酸乙酯摩尔比的1-2％。

优选地，所述二氧化钛涂层由摩尔比1：1：1：30的钛酸四丁酯、二乙醇胺、水和无水乙醇制备而成。

进一步优选地，所述二氧化钛涂层还包括盐酸，所述盐酸的加入量为钛酸四丁酯摩尔比的1-2％。

进一步优选地，所述二氧化钛涂层还包括尿素，所述尿素的加入量为钛酸四丁酯摩尔比的20-40％。

本发明还提供了上述网状二氧化钛光触媒材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、涂覆二氧化硅涂层：将金属网放入二氧化硅溶胶中，采用浸渍提拉法在金属网表面形成二氧化硅溶胶，焙烧，得到二氧化硅涂层；

S2、将涂覆二氧化硅涂层的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法在二氧化硅涂层表面形成二氧化钛溶胶，焙烧，得到所述网状二氧化钛光触媒材料。

优选地，步骤S1中所述二氧化硅溶胶的制备方法为：将正硅酸乙酯和水放入无水乙醇中搅拌1-2小时，形成二氧化硅溶胶。

进一步优选地，所述二氧化硅溶胶的制备方法还包括，加入盐酸，所述盐酸的加入量为正硅酸乙酯摩尔比的1-2％。

优选地，步骤S1中所述焙烧为：400℃下焙烧0.5-1h。

优选地，步骤S2中所述二氧化钛溶胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钛酸四丁酯、二乙醇胺和水加入无水乙醇中搅拌，形成溶胶；

(2)控制溶胶的温度，并加入盐酸和尿素搅拌，得到二氧化钛溶胶。

进一步优选地，步骤(1)中所述钛酸四丁酯、二乙醇胺、水和无水乙醇的摩尔比为1：1：1：30。

进一步优选地，步骤(2)中所述温度为40±2℃，所述盐酸的加入量为钛酸四丁酯摩尔比的1-2％；所述尿素的加入量为钛酸四丁酯摩尔比的20-40％。

优选地，步骤S2中所述焙烧为：500-600℃下焙烧0.5-2小时。

本发明还提供了上述网状二氧化钛光触媒材料在废水和/或废气处理中的应用。

本发明还提供了一种光催化设备，利用上述网状二氧化钛光触媒材料进行光催化。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过在金属网上涂覆二氧化硅涂层，避免了金属离子扩散进光触媒材料，导致光触媒材料中毒的问题，其制备的网状二氧化钛光触媒材料有效避免了粉末状填料在废水、废气处理中易团聚现象的发生，具有较好的长期稳定性。

(2)本发明的网状二氧化钛光触媒材料的损失小，稳定性好，无需频繁更换填料，相比现有技术，成本更低，操作更为简便。

(3)本发明在溶胶制备过程中添加盐酸，其既可以起到促进生成中间化合物以及加速水解和成熟过程的催化剂作用，又可以起胶溶剂的作用，保持溶胶的稳定。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同意义。

本发明对所采用原料的来源不作限定，如无特殊说明，本发明所采用的原料均为本技术领域普通市售品。

实施例1

一种网状二氧化钛光触媒材料，包括金属网，其中，所述金属网表面涂覆二氧化硅涂层，所述二氧化硅涂层上负载二氧化钛涂层；

其中，

所述二氧化硅溶胶的制备方法为：按摩尔比1:2:16，将正硅酸乙酯和水放入无水乙醇中搅拌2小时，并加入正硅酸乙酯摩尔比1.5％的盐酸，搅拌，形成二氧化硅溶胶；

所述二氧化钛溶胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)按摩尔比为1：1：1：30，将钛酸四丁酯、二乙醇胺和水加入无水乙醇中搅拌，形成溶胶；

(2)控制溶胶的温度为40±2℃，并加入钛酸四丁酯摩尔比1.5％的盐酸和钛酸四丁酯摩尔比30％的尿素搅拌，得到二氧化钛溶胶。

上述网状二氧化钛光触媒材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、涂覆二氧化硅涂层：将金属网放入二氧化硅溶胶中，采用浸渍提拉法在金属网表面形成二氧化硅溶胶，400℃下焙烧1h，得到二氧化硅涂层；

S2、将涂覆二氧化硅涂层的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法在二氧化硅涂层表面形成二氧化钛溶胶，550℃下焙烧2小时，得到所述网状二氧化钛光触媒材料。

实施例2

一种网状二氧化钛光触媒材料，包括金属网，其中，所述金属网表面涂覆二氧化硅涂层，所述二氧化硅涂层上负载二氧化钛涂层；

其中，

所述二氧化硅溶胶的制备方法为：按摩尔比1:2:5，将正硅酸乙酯和水放入无水乙醇中搅拌1-2小时，并加入正硅酸乙酯摩尔比1％的盐酸，搅拌，形成二氧化硅溶胶；

所述二氧化钛溶胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)按摩尔比为1：1：1：30，将钛酸四丁酯、二乙醇胺和水加入无水乙醇中搅拌，形成溶胶；

(2)控制溶胶的温度为40±2℃，并加入钛酸四丁酯摩尔比1％的盐酸和钛酸四丁酯摩尔比20％的尿素搅拌，得到二氧化钛溶胶。

上述网状二氧化钛光触媒材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、涂覆二氧化硅涂层：将金属网放入二氧化硅溶胶中，采用浸渍提拉法在金属网表面形成二氧化硅溶胶，400℃下焙烧1h，得到二氧化硅涂层；

S2、将涂覆二氧化硅涂层的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法在二氧化硅涂层表面形成二氧化钛溶胶，600℃下焙烧1小时，得到所述网状二氧化钛光触媒材料。

实施例3

一种网状二氧化钛光触媒材料，包括金属网，其中，所述金属网表面涂覆二氧化硅涂层，所述二氧化硅涂层上负载二氧化钛涂层；

其中，

所述二氧化硅溶胶的制备方法为：按摩尔比1:2:30，将正硅酸乙酯和水放入无水乙醇中搅拌1-2小时，并加入正硅酸乙酯摩尔比2％的盐酸，搅拌，形成二氧化硅溶胶；

所述二氧化钛溶胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)按摩尔比为1：1：1：30，将钛酸四丁酯、二乙醇胺和水加入无水乙醇中搅拌，形成溶胶；

(2)控制溶胶的温度为40±2℃，并加入钛酸四丁酯摩尔比2％的盐酸和钛酸四丁酯摩尔比40％的尿素搅拌，得到二氧化钛溶胶。

上述网状二氧化钛光触媒材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、涂覆二氧化硅涂层：将金属网放入二氧化硅溶胶中，采用浸渍提拉法在金属网表面形成二氧化硅溶胶，400℃下焙烧0.5h，得到二氧化硅涂层；

S2、将涂覆二氧化硅涂层的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法在二氧化硅涂层表面形成二氧化钛溶胶，500℃下焙烧2小时，得到所述网状二氧化钛光触媒材料。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于，二氧化硅溶胶中正硅酸乙酯、水和无水乙醇的摩尔比为1：2：4。

对比例2

本对比例与实施例1的区别在于，二氧化硅溶胶中正硅酸乙酯、水和无水乙醇的摩尔比为1：2：32。

一、甲醛降解性能测试

在体积为0.5m³的透明PVC容器(1m*1m*0.5m)中，放入1张尺寸0.3m*0.3m的网状光触媒材料，并放入沾有甲醛的棉球，密闭。通过气体采样针对容器内气体进行采样，测试其初始甲醛浓度，在紫外灯(30W)照射48h后，再次对容器内气体进行采样，测试其甲醛浓度。计算甲醛的降解率，结果如表1所示。

表1甲醛降解率

可见，本发明实施例1-3制备的网状二氧化钛光触媒材料具有较好的光催化效率，可以快速降解甲醛。对比例1由于无水乙醇用量过少，得到的二氧化硅熔胶黏度较高，镀膜较厚，焙烧过程中涂层容易脱落，导致制备的网状二氧化钛光触媒材料的光催化活性较低；对比例2由于无水乙醇用量过多，得到的二氧化硅溶胶的黏度低，涂层薄，无法完全对金属网与二氧化钛进行隔离，导致制备的网状二氧化钛光触媒材料的光催化活性降低。

二、重复使用效果

将网状二氧化钛光触媒材料，经过5次重复使用处理含甲醛的气体(甲醛含量均为0.40mg/m³，每次30W紫外灯照射48h)，测定第6次重复处理时的甲醛降解率。结果如表2所示。

表2网状二氧化钛光触媒材料重复第6次的甲醛降解率

由表2可知，本发明的网状二氧化钛光触媒材料在重复使用第6次时，甲醛降解率波动较小，依然维持在较高水平，表明本发明制备的网状二氧化钛光触媒材料的重复利用性好，具有较好的稳定性。

以上是结合具体实施例对本发明进一步的描述，但这些实施例仅仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种网状二氧化钛光触媒材料在用于光降解甲醛中的应用，其特征在于，所述网状二氧化钛光触媒材料，包括金属网，其中，所述金属网表面涂覆二氧化硅涂层，所述二氧化硅涂层上负载二氧化钛涂层；

所述网状二氧化钛光触媒材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、涂覆二氧化硅涂层：将金属网放入二氧化硅溶胶中，采用浸渍提拉法在金属网表面形成二氧化硅溶胶，焙烧，得到二氧化硅涂层；

S2、将涂覆二氧化硅涂层的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法在二氧化硅涂层表面形成二氧化钛溶胶，焙烧，得到所述网状二氧化钛光触媒材料；

步骤S1中所述二氧化硅溶胶的制备方法为：将正硅酸乙酯和水放入无水乙醇中搅拌1-2小时，加入盐酸，搅拌，形成二氧化硅溶胶；

所述盐酸的加入量为正硅酸乙酯摩尔比的1-2%，所述正硅酸乙酯、水和无水乙醇的摩尔比1:2:5-30；

步骤S2中所述二氧化钛溶胶的制备方法，包括以下步骤：

（1）将钛酸四丁酯、二乙醇胺和水加入无水乙醇中搅拌，形成溶胶；

（2）控制溶胶的温度为40±2℃，并加入盐酸和尿素搅拌，得到二氧化钛溶胶；

所述钛酸四丁酯、二乙醇胺、水和无水乙醇的摩尔比1：1：1：30；

所述盐酸的加入量为钛酸四丁酯摩尔比的1-2%；所述尿素的加入量为钛酸四丁酯摩尔比的20-40%。