CN1322916C - 一种光催化膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光催化膜，由网状载体，附着在网状载体上的油漆层，附着在油漆层上的硅烷偶联剂层和附着在硅烷偶联剂涂层上的纳米TiO2膜组成。其制法为：在网状载体上涂覆油漆；在油漆干之前，在其上涂覆硅烷偶联剂，在空气中静置至材料表面的硅烷偶联剂固化；将纳米TiO2分散于C1-C4的有机醇水溶液中形成1～25wt%的悬浊液或溶胶，将该悬浊液或溶胶涂覆在硅烷偶联剂上，烘干即得所需光催化膜。该光催化膜可广泛用于光催化分解多种水中有机污染物，在环境保护方面有较广的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种光催化膜及其制备方法。
背景技术
目前，水体污染的问题越来越严重，造成水体污染的元凶之一就是一些有机物，如何高效的分解这些有机污染物已成为越来越多科技工作者所关注的问题。
1976年，Carey等发现TiO2-H2O体系在光照条件下可非选择地氧化降解有机物以来，半导体多相催化技术已成为一个新兴的研究学科，由于TiO2具有化学稳定性好，光催化活性高，价廉易得等优点，它已被广泛用于处理各种废水，但以前，人们大多是将TiO2颗粒悬浮于液相中用以催化分解有机物或其它污染物，但这种悬浮体光催化氧化法的催化剂在水中易凝聚而失活，使光的穿透力受阻，尤其是处理后的催化剂的分离与回收的难题已成为该技术能否实用的关键。考虑到这种情况，人们便在如何提高TiO2光催化效率上作出了很多努力，将TiO2制成薄膜被认为是一种有效的方法，因而近年来，纳米TiO2粒子负载膜的制备及光催化活性的研究已成为重要的研究方向，每年这方面发表的文献非常之多。有人采用聚合物为粘合剂，将其涂覆于玻璃板上，形成一层薄膜，将TiO2纳米粉体涂于此膜上，形成二次膜，以此为负载型TiO2光催化剂。但这种方法存在的问题是这种TiO2光催化剂在催化分解有机物的同时会将其载体粘合剂也降解破坏掉。
发明内容
本发明就是针对上述问题提供一种可分解水中有机物的光催化膜及其制备方法。
本发明提供的技术方案是：一种光催化膜，由网状载体，附着在网状载体上的油漆层，附着在油漆层上的硅烷偶联剂层和附着在硅烷偶联剂涂层上的纳米TiO2膜组成。
上述油漆层中所用的油漆可选用粘合性较强的有机高聚物油漆如聚氨酯或聚酯等。
上述网状载体为塑料网或金属网(铜网、不绣钢网、铁网、铝网等)。
上述纳米TiO2膜中的纳米TiO2的晶型为锐钛相或锐钛相与金红石相的混晶，其颗粒粒径为5-80nm。
本发明还提供了上述光催化膜的制备方法：在网状载体上涂覆油漆；在油漆干之前，在其上涂覆硅烷偶联剂，在空气中静置至材料表面的硅烷偶联剂固化；将纳米TiO2分散于C1-C4的有机醇水溶液中形成1～25wt％的悬浊液或溶胶，将该悬浊液或溶胶涂覆在硅烷偶联剂上，烘干即得所需光催化膜。
上述有机醇水溶液的体积浓度在30％～90％。
上述有机醇水溶液中所用的有机醇为乙醇(可用工业酒精，或医用酒精)、丙醇或异丁醇等。
硅烷偶联剂推荐采用WD-10，WD-20，WD-21，WD-30，WD-40，WD-42，WD-50，WD-51，WD-52，WD-53，WD-54，WD-55，WD-60，WD-70，WD-80，WD-921，WD-922，WD-923，WD-931，WD-932，WD-90A，WD-90，WD-91，WD-92，8510，881，DMC(二甲基硅氧烷混合环体)，WD-9110，WD-98，WD-941或WD-942(武汉大学化工厂有售)等。
本发明将同时连有亲油性基团(憎水端)与亲水性基团(亲水端)的硅烷偶联剂涂于油漆与TiO2纳米微晶悬浮体之间，形成“油漆-硅烷偶联剂-TiO2纳米粉体”催化膜。硅烷偶联剂起的作用是阻隔油漆与TiO2纳米微晶，以防止TiO2在催化分解有机物的同时也将油漆降解破坏。本发明方法操作很简单，不用高温烧结也可使TiO2纳米粉体比较牢固的固着于载体之上。
本发明具有以下优点：
1、制备方法非常简便，无需特殊设备，无需高温灼烧。
2、以连有亲油性基团(憎水端)与亲水性基团(亲水端)的硅烷偶联剂(尤其是憎水端为烷基的硅烷偶联剂)制得的光催化膜，有非常好的光催化活性。在太阳光照射下可在一到两小时内将某些有机物(如甲基橙)几乎完全分解。
3、以上述硅烷偶联剂制得的光催化膜有较好的持续光催化能力，即在光照催化分解有机物一段时间后，置于暗处，在较长时间内仍可继续催化分解有机物。
4、在一定时间，将使用过的光催化膜置于清水中，并放在强太阳光下照射一段时间，使其表面的TiO2纳米微晶恢复光催化活性，从而又可以继续使用，而不会失效。
附图说明
附图本发明的结构示意图。
具体实施方式
本发明的光催化膜由网状载体4，附着在网状载体4上的油漆层3，附着在油漆层3上的连有憎水端5与亲水端6的硅烷偶联剂涂层2和附着在硅烷偶联剂涂层2上的纳米TiO2膜1组成。
实施例1：以不锈钢网为载体，在不锈钢网上涂附聚氨酯油漆；在油漆干之前，在其上涂附硅烷偶联剂DMC、WD-10、WD-30、WD-50、WD-60或WD-80(从武汉大学化工厂购买)，在空气中静置至材料表面的硅烷偶联剂固化；将锐钛型、粒径为25纳米的TiO2分散于工业酒精中形成20wt％的悬浊液或溶胶，将该悬浊液或溶胶涂附在硅烷偶联剂上，在红外灯下烘干即得光催化膜。
在太阳光照射下，比较使用不同硅烷偶联剂制得的催化剂膜光催化分解甲基橙的效果：
| 硅烷偶联剂 | WD-80 | WD-60 | WD-50 | WD-30 | WD-10 | DMC |
| 1小时分解率 | 28.1％ | 73.5％ | 60.5％ | 71.9％ | 50.5％ | 69.1％ |
实施例2：以铜网为载体，在铜网上涂附聚酯油漆，在其上涂附硅烷偶联DMC、WD-10、WD-30、WD-50、WD-60或WD-80(从武汉大学化工厂购买)，在空气中静置至材料表面的硅烷偶联剂固化；将锐钛型、粒径为25纳米的TiO2分散于工业酒精中形成20wt％的悬浊液或溶胶，将该悬浊液或溶胶涂附在硅烷偶联剂上，在红外灯下烘干即得光催化膜。
在太阳光照射下，光催化分解甲基橙半小时，再将催化系统置于暗处2.5小时后催化剂膜的持续光催化能力的比较：
| 硅烷偶联剂 | WD-80 | WD-60 | WD-50 | WD-30 | WD-10 | DMC |
| 光照0.5小时分解率 | 13.2％ | 52.0％ | 37.6％ | 58.3％ | 21.3％ | 48.1％ |
| 暗箱中2.5小时分解率 | 21.3％ | 86.0％ | 62.8％ | 77.9％ | 39.2％ | 78.3％ |
实施例3：以塑料网为载体，在塑料网上涂附聚氨酯油漆；在其上涂附硅烷偶联剂WD-60、WD-10、DMC(从武汉大学化工厂购买)，在空气中静置至材料表面的硅烷偶联剂固化，将晶型为以锐钛相为主，掺有约20wt％金红石相、粒径为10纳米的TiO2分散于体积浓度为80％的异丁醇的水溶液中形成25wt％的悬浊液或溶胶，将该悬浊液或溶胶涂附在硅烷偶联剂上，在红外灯下烘干即得光催化膜。
在太阳光照射下，比较使用不同硅烷偶联剂制得的催化剂膜光催化分解甲基橙的效果：
| 硅烷偶联剂 | WD-60 | WD-10 | DMC |
| 90分钟分解率 | 52.3％ | 74.3％ | 70.6％ |
实施例4：以不锈钢网为载体，在不锈钢网上涂附聚氨酯油漆；在其上涂附硅烷偶联剂WD-60，在空气中静置至材料表面的硅烷偶联剂固化，将锐钛型、粒径为5纳米的TiO2分散于医用酒精(乙醇体积浓度75％)中形成5wt％的悬浊液或溶胶，将该悬浊液或溶胶涂附在硅烷偶联剂上，在红外灯下烘干即得光催化膜。
在太阳光照射下，约5分钟后甲基橙就完全褪色。
实施例5：以铁网为载体，在铁网上涂附聚氨酯油漆；在其上涂附硅烷偶联剂WD-60，在空气中静置至材料表面的硅烷偶联剂固化，将锐钛型、粒径为80纳米的TiO2分散于体积浓度30％的丙醇的水溶液中形成1wt％的悬浊液或溶胶，将该悬浊液或溶胶涂附在硅烷偶联剂上，在红外灯下烘干即得光催化膜。
在太阳光照射下，约一天后甲基橙明显褪色。
Claims (7)
1、一种光催化膜，其特征是：由网状载体，附着在网状载体上的油漆层，附着在油漆层上的硅烷偶联剂涂层和附着在硅烷偶联剂涂层上的纳米TiO2膜组成。
2、根据权利要求1所述的光催化膜，其特征是：油漆层中所用的油漆为聚氨酯或聚酯类油漆。
3、根据权利要求1或2所述的光催化膜，其特征是：网状载体为塑料网或金属网。
4、根据权利要求1或2所述的光催化膜，其特征是：纳米TiO2膜中的纳米TiO2的晶型为锐钛相或锐钛相与金红石相的混晶，其颗粒粒径为5-80nm。
5、权利要求1所述光催化膜的制备方法，其特征是：在网状载体上涂覆油漆；在油漆干之前，在其上涂覆硅烷偶联剂，在空气中静置至材料表面的硅烷偶联剂固化；将纳米TiO2分散于C1-C4的有机醇水溶液中形成1～25wt％的悬浊液或溶胶，将该悬浊液或溶胶涂覆在硅烷偶联剂上，烘干即得所需光催化膜。
6、根据权利要求5所述的制备方法，其特征是：有机醇水溶液的体积浓度在30％～90％。
7、根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征是：有机醇水溶液中所用的有机醇为乙醇、丙醇或异丁醇。
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