CN1394674A

CN1394674A - 空气净化用纳米复合光催化剂及其制备方法

Info

Publication number: CN1394674A
Application number: CN 02112266
Authority: CN
Inventors: 上官文峰; 郑广涛; 施建伟; 陈铭夏; 刘震炎; 陈敏生
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2003-02-05
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: CN1150979C

Abstract

空气净化用纳米复合光催化剂及其制备方法属于纳米技术领域。本发明的光催化剂由载体和纳米粒子或薄膜组成，载体由球形硅胶或粉状硅胶或空分硅胶或/和粗孔硅胶或细孔硅胶组成，其中用于凝胶—溶胶工艺方法的硅胶孔径为5－30纳米，而用于浆料浸渍工艺方法的硅胶孔径大于30纳米，其中TiO₂纳米光催化剂重量百分比为1.0－5.0％。本发明光催化剂中的催化活性体采用浆料浸渍、凝胶—溶胶工艺将TiO₂纳米粒子或薄膜负载于载体表面和空隙中，形成复合型纳米光催化剂。本发明提高了光催化活性，实现了纳米粒子和薄膜的固定化和高比表面积化，工艺简单，将催化剂用金属丝网固定与紫外灯组成催化反应器，可将封闭室内的甲醛、苯系列等有害气体消除，其去除率大于80％。

Description

空气净化用纳米复合光催化剂及其制备方法

技术领域：本发明涉及的是一种纳米复合光催化剂，特别是一种空气净化用纳米复合光催化剂及其制备方法，属于纳米技术领域。

背景技术：现代居住环境中，由于使用的合成木料、涂料和各种装饰材料中含有的有害有机物(如甲醛、苯系物等)的释放，以及肉、蛋制品、素菜等有机质腐烂变质产生的氨、硫化氢等成为人类的“无形杀手”，正威胁着人们的健康。因此，室内环境的净化已成为当务之急。目前国内外使用的空气净化器主要采用活性炭吸附技术、臭氧净化技术、负离子除尘技术和高压静电技术。活性炭吸附技术只能将有害物吸附储存，而不能将其分解或去除。因此一旦吸附饱和，需要更换吸附材料，并且最终并未消除有害物质，只是将污染源转移。臭氧技术具有杀菌、除臭作用，但对有机污染物的去除效率低。更为值得注意的是，臭氧本身对人体和环境有害。负离子和高压静电技术是一种物理作用过程，能去除空气中的烟尘，但对化学、生物和微生物等造成的污染无法去除净化。作为新一代的空气净化技术——光催化技术是上世纪八十年代才发展起来的新技术。经文献检索发现，中国专利申请号为：00129180.7，名称为：一种净化空气的光催化剂，该专利技术公开了一种用于净化空气的光催化剂，在TiO₂粉末上负载Pt、V、Ni等提高了光催化效率。但是，以粉末状存在的光催化剂实际使用较困难，并且也无法解决纳米粒子的团聚问题。

发明内容和具体实施方式：本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种空气净化用纳米复合光催化剂及其制备方法，解决了纳米光催化剂的分散性和固定化，使空气净化光催化具有剂实用性强、高吸附、高活性的特点。本发明的光催化剂由载体和纳米粒子或薄膜组成，载体由球形硅胶或粉状硅胶或空分硅胶或/和粗孔硅胶或细孔硅胶组成，其中用于凝胶-溶胶工艺方法的硅胶孔径为5-30纳米，而用于浆料浸渍工艺方法的硅胶孔径大于30纳米，其中TiO₂纳米光催化剂重量百分比为1.0-5.0％。

本发明的光催化剂中的催化活性体，采用浆料浸渍、凝胶-溶胶工艺将TiO₂纳米粒子或薄膜负载于载体表面和空隙中，形成复合型纳米光催化剂。

浆料浸渍工艺方法具体如下：

(1)空分硅胶置于50-150℃干燥箱内干燥备用；

(2)称取TiO₂纳米光催化剂，粒径小于30纳米的粉体，溶于蒸馏水中，并在超声波作用下分散；

(3)充分分散后，将干燥箱内的空分硅胶放入TiO₂浆料中浸渍，TiO₂纳米颗粒充分进入载体空隙内部和附着于表面；

(4)过滤后在80-150℃下干燥2-10小时，即制备出浆料浸渍法的TiO₂纳米复合光催化剂。

溶胶-凝胶工艺方法具体如下：

(1)含水量为2-5％的硅胶放入溶胶中浸渍，待一定量的溶胶吸入硅胶载体孔内后，缓慢地将硅胶从溶胶中取出，凉干；

(2)置入电炉内，缓慢升温直至450-650℃，保温0.5-3小时后，再缓慢降温至50℃以下，取出后便得到复合催化剂成品。

复合光催化剂通过金属丝网固定做成光催化反应片，设置于光催化反应腔体中。浆料浸渍工艺方法所用的是TiO₂纳米光催化剂粉体，溶胶-凝胶工艺方法所用的是TiO₂溶胶。

本发明复合光催化剂以钛酸四丁酯、钛酸异丙醇等作为前驱体制得TiO₂溶胶，钛酸四丁酯系的重量百分比为：钛酸四丁酯19.0-25.0％，二乙醇胺3.5-6.5％，无水乙醇67.0-79.0％，蒸馏水0-5.0％；钛酸异丙酯系的重量百分比为：钛酸异丙酯15.0-23.0％，二乙醇胺3.0-9.0％，异丙醇56.0-76.0％，蒸馏水0-5.0％。

光催化去除空气中的有害物的基本原理是：当其光量子能量(hv)等于或大于半导体材料的禁带宽度(E_g)的光照射到半导体光催化剂时，同时在导带中形成一个自由电子，在价带中形成一个电子孔穴。若这种电子-孔穴对能被有效分离且定域在催化剂表面的某些位置时，则可有效地氧化或还原吸附在催化剂表面上的有害气体分子，并将其转化为化学性质完全不同的无害物质。一般有机有害物都能被转化为水和二氧化碳等无害物质。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明所获得的纳米复合光催化剂不仅对甲醛、苯系物等有机有害物有良好的降解作用，而且可用于空气净化、消毒、杀菌。本发明方法以多孔硅胶作为催化剂载体，具有纳米级的细孔，比表面积大，吸附性强，有利于光催化纳米粒子的分散固定，提高光催化活性；该纳米复合光催化剂能有效去除有机有害物、杀菌、消除异味、净化空气，并且无任何二次污染；多孔硅胶作为催化剂载体，成本低廉，使用方便；光催化剂制备工艺简单，重复性好；光催化剂固定方便，气体透过性好；该重量百分比和工艺克服了硅胶遇水开裂的问题，从而使得硅胶能成为光催化剂的良好载体，实现了纳米粒子和薄膜的固定化和高比表面积化，将该催化剂用金属丝网固定，并与紫外灯组成催化反应器，可将封闭室内的甲醛、苯系列等有害气体消除，其去除率大于80％。

结合本发明的内容提供以下三个实施例：

实施例1：(浆料浸渍工艺方法)按质量比TiO₂∶H₂O＝10∶250制备TiO₂乳浊液，在小烧杯中加入约100克水，再加入10克TiO₂(P-25)，在超声波中搅拌，以促进其乳化，同时辅以小勺在人力下搅拌以防TiO2在杯底结团沉淀，再转移到在大烧杯中在磁力搅拌器上搅拌约30分钟，将细孔硅胶放在恒温箱中于180℃下干燥3小时，然后趁热倒入TiO₂乳浊液中，让其浸泡约30分钟(在磁力搅拌的情况下)，取出浸泡好的硅胶，使其在空气中晾5分钟然后倒入搪瓷盘中即制成所需的光催化材料，如此制得的纳米复合光催化材料中的TiO₂(P-25)重量百分比约为3.5％。

实施例2：(凝胶-溶胶工艺方法)量取34.04ml的钛酸四丁酯和9.6ml的二乙醇胺于小烧杯中混合，在磁力搅拌作用下将上述混合物慢慢的加入装有134.56ml无水乙醇的大烧杯中，加完后搅拌约2小时然后再加入20ml无水乙醇和1.8ml蒸馏水的混合物，搅拌0.5小时即制得待用的溶胶，将一定含水率的干硅胶放入上述溶胶中浸渍、滤干，再倒入搪瓷盘中自然晾干，将上述硅胶放入高温炉中，在氧化气氛的条件下从室温缓慢升温至250℃保温15分钟，然后再慢慢的升温至550℃保温2小时，经自然冷却后则烧成所需的光催化材料，所得的光催化材料中的TiO₂重量百分比约为3.2％。

实施例3：(凝胶-溶胶工艺方法)量取39ml的钛酸异丙醇和12.5ml的二乙醇胺于小烧杯中混合，在磁力搅拌作用下将上述混合物慢慢的加入装有86ml异丙醇的大烧杯中，加完后搅拌约2小时然后再加入108ml异丙醇和4.5ml蒸馏水的混合物，搅拌0.5小时后即制得待用的溶胶，将一定含水率的干硅胶放入上述溶胶中浸渍、滤干，再倒入搪瓷盘中自然晾干，将上述硅胶放入高温炉中，在氧化气氛的条件下从室温缓慢升温至250℃保温15分钟，然后再慢慢的升温至520℃保温2小时，经自然冷却后则烧成所需的光催化材料，所得的光催化材料中的TiO₂重量百分比约为3.5％。

Claims

1、一种空气净化用纳米复合光催化剂，其特征在于由载体和纳米粒子或薄膜组成，载体由球形硅胶或粉状硅胶或空分硅胶或/和粗孔硅胶或细孔硅胶组成，其中用于凝胶-溶胶工艺方法的硅胶孔径为5-30纳米，而用于浆料浸渍工艺方法的硅胶孔径大于30纳米，其中TiO₂纳米光催化剂重量百分比为1.0-5.0％。

2、根据权利要求1所述的这种空气净化用纳米复合光催化剂，其特征是以钛酸四丁酯、钛酸异丙醇等作为前驱体制得TiO₂溶胶，钛酸四丁酯系的重量百分比为：钛酸四丁酯19.0-25.0％，二乙醇胺3.5-6.5％，无水乙醇67.0-79.0％，蒸馏水0-5.0％；钛酸异丙酯系的重量百分比为：钛酸异丙酯15.0-23.0％，二乙醇胺3.0-9.0％，异丙醇56.0-76.0％，蒸馏水0-5.0％。

3、根据权利要求1所述的这种空气净化用纳米复合光催化剂，其特征是复合光催化剂通过金属丝网固定做成光催化反应片，设置于光催化反应腔体中。

4、一种空气净化用纳米复合光催化剂的制备方法，其特征在于光催化剂中的催化活性体，采用浆料浸渍工艺方法、凝胶一溶胶工艺方法将TiO₂纳米粒子或薄膜负载于载体表面和空隙中，形成复合型纳米光催化剂。

5、根据权利要求4所述的这种空气净化用纳米复合光催化剂的制备方法，其特征是浆料浸渍工艺方法具体如下：(1)空分硅胶置于50-150℃干燥箱内干燥备用；(2)称取TiO₂纳米光催化剂，粒径小于30纳米的粉体，溶于蒸馏水中，在超声波作用下分散；(3)充分分散后，将干燥箱内空分硅胶放入TiO₂浆料中浸渍，TiO₂纳米颗粒充分进入载体空隙内部和附着于表面；(4)过滤后在80-150℃下干燥2-10小时，即制备出浆料浸渍法的TiO₂纳米复合光催化剂。

6、根据权利要求4所述的这种空气净化用纳米复合光催化剂的制备方法，其特征是溶胶-凝胶工艺方法具体如下：(1)含水量为2-5％的硅胶放入溶胶中浸渍，待一定量的溶胶吸入硅胶载体孔内后，缓慢地将硅胶从溶胶中取出，凉干；(2)置入电炉内，缓慢升温直至450-650℃，保温0.5-3小时后，再缓慢降温至50℃以下，取出后便得到复合催化剂成品。

7、根据权利要求4所述的这种空气净化用纳米复合光催化剂的制备方法，其特征是浆料浸渍工艺方法所用的是TiO₂纳米光催化剂粉体，溶胶-凝胶工艺方法所用的是TiO₂溶胶。