CN115845890A - 一种网状光触媒材料、制备方法及其应用和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种网状光触媒材料、制备方法及其应用和设备，所述网状光触媒材料，包括金属网，其中，所述金属网的网格上镶嵌着多孔碳化硅小球，多孔碳化硅小球和金属网的表面负载二氧化钛涂层。本发明利用镶嵌多孔碳化硅小球的金属网作为二氧化钛的负载，避免了粉末状填料在废水、废气处理中易团聚现象的发生，制成的光触媒材料具有较好的长期稳定性。同时，本发明的网状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
技术领域
本发明属于光催化技术领域，具体为一种网状光触媒材料、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光触媒材料、制备方法及其应用和设备，本发明利用镶嵌多孔碳化硅小球的金属网作为二氧化钛的负载，避免了粉末状填料在废水、废气处理中易团聚现象的发生，制成的光触媒材料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：
一种网状光触媒材料，包括金属网，其中，所述金属网的网格上镶嵌着多孔碳化硅小球，多孔碳化硅小球和金属网的表面负载二氧化钛涂层。
优选地，所述金属网的网格尺寸为1-10mm。
优选地，本发明中相邻的碳化硅小球间隔至少一个网格。
优选地，所述二氧化钛涂层中含N元素。
本发明中所述二氧化钛涂层的制备方法，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，并加入稳定剂和尿素搅拌，得到二氧化钛溶胶；
(3)将镶嵌碳化硅小球的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法在碳化硅小球上负载溶胶，得到负载溶胶的金属网；
(4)将负载溶胶的金属网高温焙烧。
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。优选地，步骤(2)中所述温度为40±5℃，所述稳定剂为盐酸，所述尿素与钛酸四丁酯的摩尔比例为0.2-0.4：1。
优选地，步骤(3)中所述浸渍提拉法的次数为1-10次。
优选地，步骤(4)中所述焙烧为：500-600℃下焙烧1-2小时。
本发明还提供了上述网状光触媒材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备金属网；
S2、在金属网上镶嵌尺寸匹配的多孔碳化硅小球；
S3、将镶嵌有多孔碳化硅小球的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法负载二氧化钛溶胶；
S4、将负载二氧化钛溶胶的金属网高温焙烧，得到所述网状光触媒材料。
本发明还提供了上述网状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，利用上述网状光触媒材料进行光催化。
本发明的有益效果为：
(1)本发明利用镶嵌多孔碳化硅小球的金属网作为二氧化钛的负载，避免了粉末状填料在废水、废气处理中易团聚现象的发生，制成的光触媒材料具有较好的长期稳定性。
(2)本发明的网状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。
附图说明
图1为本发明网状光触媒材料的示意图，
其中，1为金属网；2为网格；3为多孔碳化硅小球。
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。
如图1所示，本发明的网状光触媒材料，包括金属网1，其中，所述金属网的网格2尺寸为1-10mm，网格2上镶嵌着尺寸匹配的多孔碳化硅小球3，相邻的多孔碳化硅小球之间间隔至少1个网格，所述多孔碳化硅小球和金属网表面负载有掺杂N元素的二氧化钛涂层。
具体地，本发明中所述二氧化钛涂层的制备方法，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℃，并加入少量盐酸和尿素搅拌，得到二氧化钛溶胶；
其中，尿素与钛酸四丁酯的摩尔比为0.2-0.4：1；
(3)将镶嵌多孔碳化硅小球的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法在碳化硅小球上负载溶胶，得到负载溶胶的金属网；
(4)将负载溶胶的金属网在500-600℃下焙烧1-2小时，即可。
本发明还提供了上述网状光触媒材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备金属网；
S2、在金属网上镶嵌尺寸匹配的多孔碳化硅小球；
S3、将镶嵌有多孔碳化硅小球的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法负载二氧化钛溶胶；
S4、将负载二氧化钛溶胶的金属网高温焙烧，得到所述网状光触媒材料。
下面结合具体实施例，对发明的技术效果进行阐述。
实施例1
网状光触媒材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备网格尺寸为10mm的金属网；
S2、在金属网上镶嵌尺寸匹配的多孔碳化硅小球，相邻的多孔碳化硅小球之间间隔5个网格；
S3、将镶嵌有多孔碳化硅小球的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法重复5次，负载二氧化钛溶胶；
所述二氧化钛溶胶的配置方法为：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；然后控制溶胶的温度为40±2℃，加入少量盐酸和尿素搅拌，得到二氧化钛溶胶；其中，尿素与钛酸四丁酯的摩尔比为0.2：1；盐酸与钛酸四丁酯的摩尔比为0.01：1；
S4、将负载二氧化钛溶胶的金属网在500℃下焙烧2小时，得到所述网状光触媒材料。
实施例2
网状光触媒材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备网格尺寸为1mm的金属网；
S2、在金属网上镶嵌尺寸匹配的多孔碳化硅小球，相邻的多孔碳化硅小球之间间隔1个网格；
S3、将镶嵌有多孔碳化硅小球的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法重复5次，负载二氧化钛溶胶；
所述二氧化钛溶胶的配置方法为：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；然后控制溶胶的温度为40±2℃，加入少量盐酸和尿素搅拌，得到二氧化钛溶胶；其中，尿素与钛酸四丁酯的摩尔比为0.4：1；盐酸与钛酸四丁酯的摩尔比为0.02：1；
S4、将负载二氧化钛溶胶的金属网在600℃下焙烧1小时，得到所述网状光触媒材料。
实施例3
网状光触媒材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备网格尺寸为5mm的金属网；
S2、在金属网上镶嵌尺寸匹配的多孔碳化硅小球，相邻的多孔碳化硅小球之间间隔2个网格；
S3、将镶嵌有多孔碳化硅小球的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法重复5次，负载二氧化钛溶胶；
所述二氧化钛溶胶的配置方法为：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；然后控制溶胶的温度为40±2℃，加入少量盐酸和尿素搅拌，得到二氧化钛溶胶；其中，尿素与钛酸四丁酯的摩尔比为0.3：1；盐酸与钛酸四丁酯的摩尔比为0.015：1；
S4、将负载二氧化钛溶胶的金属网在550℃下焙烧1.5小时，得到所述网状光触媒材料。
对比例1
本对比例与实施例3的区别在于，不控制溶胶的温度，且盐酸的加入量不同，具体为：
网状光触媒材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备网格尺寸为5mm的金属网；
S2、在金属网上镶嵌尺寸匹配的多孔碳化硅小球，相邻的多孔碳化硅小球之间间隔2个网格；
S3、将镶嵌有多孔碳化硅小球的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法重复5次，负载二氧化钛溶胶；
所述二氧化钛溶胶的配置方法为：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；加入少量盐酸和尿素搅拌，得到二氧化钛溶胶；其中，尿素与钛酸四丁酯的摩尔比为0.3：1；盐酸与钛酸四丁酯的摩尔比为0.03：1；
S4、将负载二氧化钛溶胶的金属网在550℃下焙烧1.5小时，得到所述网状光触媒材料。
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，本发明制备的网状光触媒材料具有较好的光催化效率，可以快速降解甲醛。
二、重复使用效果
将网状光触媒材料，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光触媒材料的重复利用性好，具有较好的稳定性。同时，对比例1其制备的网状光触媒材料，在重复第6次时，甲醛降解率波动较大，降解率仅为35％，表明二氧化钛溶胶温度的控制以及盐酸的加入量对网状光触媒材料的稳定性影响较大。
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 (10)
1.一种网状光触媒材料，其特征在于，包括金属网，其中，所述金属网的网格上镶嵌着多孔碳化硅小球，多孔碳化硅小球和金属网的表面负载二氧化钛涂层。
2.根据权利要求1所述的网状光触媒材料，其特征在于，所述金属网的网格尺寸为1-10mm；相邻的碳化硅小球间隔至少一个网格。
3.根据权利要求1所述的网状光触媒材料，其特征在于，所述二氧化钛涂层中含N元素。
4.根据权利要求3所述的网状光触媒材料，其特征在于，所述二氧化钛涂层的制备方法，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，并加入稳定剂和尿素搅拌，得到二氧化钛溶胶；
(3)将镶嵌碳化硅小球的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法在碳化硅小球上负载溶胶，得到负载溶胶的金属网；
(4)将负载溶胶的金属网高温焙烧。
5.根据权利要求4所述的网状光触媒材料，其特征在于，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。
6.根据权利要求4所述的网状光触媒材料，其特征在于，步骤(2)中所述温度为40±2℃，所述稳定剂为盐酸，所述尿素与钛酸四丁酯的摩尔比例为0.2-0.4：1。
7.根据权利要求4所述的网状光触媒材料，其特征在于，步骤(4)中所述高温焙烧为：500-600℃下焙烧1-2小时。
8.一种权利要求1-7任一项所述的网状光触媒材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备金属网；
S2、在金属网上镶嵌尺寸匹配的碳化硅小球；
S3、将镶嵌有碳化硅小球的金属网放入二氧化钛溶胶中，采用浸渍提拉法负载二氧化钛溶胶；
S4、将负载二氧化钛溶胶的金属网高温焙烧，得到所述网状光触媒材料。
9.权利要求1-7任一项所述的网状光触媒材料在废水和/或废气处理中的应用。
10.一种光催化设备，其特征在于，利用权利要求1-7任一项所述的网状光触媒材料进行光催化。
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