CN1410158A - 金属表面负载二氧化钛光催化剂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在金属表面负载二氧化钛膜的方法。金属表面负载二氧化钛光催化剂的方法，其特征是按下述步骤实现：1)、金属表面处理，2)、负载二氧化钛光催化剂。它依次按清洁金属表面、在酸性介质中将金属表面进行阳极氧化、水解处理，然后在弱碱条件下，以钛酸四丁酯和二氧化钛为原料，用溶胶—凝胶—粉末悬浮法浸提、涂覆成膜，在适当温度灼烧等步骤进行。其特点是：方法简便、不需要昂贵的设备，形成的二氧化钛膜牢固，有较强的光催化作用，具有防污、防臭、抗菌(杀菌)、除垢的效果，可用于有机污染物的降解。制备的催化剂有良好的导电性和机械加工性能，可用作光电催化反应中的阳极材料和光催化反应装置材料。

Description

金属表面负载二氧化钛光催化剂的方法
技术领域
本发明涉及一种在金属表面负载二氧化钛光催化剂的化学方法，可将金属表壁与二氧化钛制成一体化的光(电)催化剂。属于环境污染治理技术领域和新能源研究领域。金属负载的二氧化钛可作为降解有机污染物的光催化剂，也可作为光电催化反应的阳极材料，在太阳光和一定的电流作用下，进行光电催化反应，提高降解有机污染物的效率，还可以作为太阳能光解水制取氢燃料的实验装置材料等。
背景技术
二氧化钛受光辐射后表面发生持续氧化还原反应的现象被发现后，以二氧化钛为代表的光催化材料已得到广泛的研究。近年来的研究表明，二氧化钛的光催化作用在太阳能储存与利用、光化学转换及有机污染物的降解和水质的净化等方面有着诱人的应用前景。
为了提高二氧化钛的回收率和催化作用的效率，负载催化剂和提高催化剂的活性已成为该项技术能否得到广泛应用的两大关键。
一、负载二氧化钛的方法
催化剂的负载不仅可避免废水处理后从悬浮物中分离和回收二氧化钛问题，还便于设计不同的装置，提高二氧化钛的使用效率。目前使用的负载二氧化钛的方法很多，如粉体烧结法、溶胶—凝胶法、液相沉积法、电沉积法、化学气相沉积法、偶联法、分子吸附法、物理气相沉积法等等。其中溶胶—凝胶法是制备二氧化钛薄膜常用的方法，此方法工艺简单、成本低，可用于大面积和不规则形状基底的镀膜。但利用该法在金属表壁直接镀膜存在镀膜不牢固，负载的催化剂的量过少等缺点，目前的溶胶—凝胶法大都是在酸性介质中进行，对金属表面有一定的腐蚀作用。
二、提高二氧化钛催化活性
提高二氧化钛光催化活性的方法包括以下几方面。(1)催化剂本身的改进：如在制备二氧化钛催化剂时掺杂特定的敏化物质，提高光生电子的运输速率，抑制电子与空穴的复合。又如选择合适催化剂的晶形、合适的粒度等等。(2)改进光催化反应的装置或加入辅助催化剂，提高太阳能的利用率和反应的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属表面负载二氧化钛光催化剂的方法，使金属表面负载的二氧化钛具有很好的稳定性，并进一步提高二氧化钛的催化活性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：金属表面负载二氧化钛光催化剂的方法，按下述步骤实现：1)、金属表面处理，2)、负载二氧化钛光催化剂。
所述的金属表面处理按下述步骤实现：a、清洁金属表面：用细砂纸轻擦金属表面的氧化层，并擦净；b、阳极氧化：在酸性介质中，以石墨为阴极，以金属板(片)为阳极，在室温下，在25-80A/m2电流密度范围进行氧化处理10-120分钟；c、水解处理：在纯水中静置水化1-20小时，300-350℃左右灼烧30-120分钟。
所述的负载二氧化钛光催化剂按下述步骤实现：a、将乙醇、钛酸四丁酯、三乙醇胺和水按80∶15∶4∶1的体积比混合，搅拌均匀后，按质量比5-20％的量加入二氧化钛(纳米或微米级)粉末，搅拌均匀；b、将处理过的金属(板)片浸入悬浮液中，用浸取提拉法操作，于105℃干燥；c、将处理干燥后的金属板(片)放入马弗炉中，逐渐升温到350-500℃，灼烧保温1小时。
所述的金属为铝、锌或者及其对应金属的合金等。
本发明提出了一种在金属表面负载二氧化钛膜的方法，它依次按清洁金属表面、在酸性介质中将金属表面进行阳极氧化、水解处理，然后在弱碱条件下，以钛酸四丁酯和二氧化钛为原料，用溶胶—凝胶—粉末悬浮法浸提、涂覆成膜，在适当温度灼烧等步骤进行。其特点是：方法简便、不需要昂贵的设备，既可用于实验室操作，又可用于工业上规模生产；形成的二氧化钛膜牢固，有强烈的光催化作用，具有防污、防臭、抗菌(杀菌)、除垢的效果，可用于有机污染物的降解。制备的催化剂有良好的导电性和机械加工性能，可用作光电催化反应中的阳极材料和光催化反应装置材料。
本发明可方便地制备金属合金材料与二氧化钛一体化的光催化剂，既解决了催化剂的负载问题，又可通过不同金属合金材料对催化剂进行掺杂敏化。同时金属导体作为光催化剂载体，以作为光电催化装置的阳极，进行光电催化反应。为充分利用太阳能降解污染物提供了有效的手段。
本发明具有如下优点：
(1)方法简便、成本低，既便于实验室制作，又可用于工业生产；
(2)可以方便地改变操作条件，以满足实际需要。如可通过温度、酸度、电流密度等条件的改变来控制金属氧化层的厚度；通过水解时间和灼烧温度的不同，可改变金属表面层的孔径大小；通过浸取提拉次数的改变，控制二氧化钛负载的量的多少等。
(3)该催化剂具有多孔结构，有较大的比表面积，具有很好的稳定性。通过水溶液和流水的浸泡和冲洗实验证明，负载的二氧化钛有很好地稳定性。选择合适的金属合金作为催化剂的载体，可减少光催化剂中电子与空穴的复合，进一步提高二氧化钛的催化活性。
(4)金属薄片制作的负载催化剂易制作为不同形状的部件，在光催化装置中使用；可作为光电催化反应中的阳极，增强催化降解有机污染物的效率；还可以作为太阳能光解水制取氢燃料的实验装置材料。
具体实施方式
金属表面负载二氧化钛光催化剂的方法，按下述步骤实现：1)、金属表面处理，2)、负载二氧化钛光催化剂。
所述的金属表面处理按下述步骤实现：a、清洁金属表面：用细砂纸轻擦金属表面的氧化层，并擦净；b、阳极氧化：在酸性介质中，以石墨为阴极，以金属板(片)为阳极，在室温下，在25-80A/m2电流密度范围进行氧化处理10-120分钟；c、水解处理：在纯水中静置水化1-20小时，300-350℃左右灼烧30-120分钟。
所述的负载二氧化钛光催化剂按下述步骤实现：a、将乙醇、钛酸四丁酯、三乙醇胺和水按80∶15∶4∶1的体积比混合，搅拌均匀后，按质量比5-20％的量加入二氧化钛(纳米或微米级)粉末，搅拌均匀；b、将处理过的金属(板)片浸入悬浮液中，用浸取提拉法操作，于105℃干燥；c、将处理干燥后的金属板(片)放入马弗炉中，逐渐升温到350-500℃，灼烧保温1小时。
所述的金属为铝、锌或者及其对应金属的合金等。
以金属铝片为例，具体实施方式如下：
(1)以细砂布(纸)轻擦金属铝片表面，用软布或毛刷清洁表面；
(2)配制0.25mol/L的草酸溶液和0.5mol/L的硫酸溶液，按1∶1体积比混合，以石墨为阴极，将待处理的金属片为阳极，接在可调电压的直流电源上，根据金属铝片的面积，按电流密度25-80A/m2调节电流，进行氧化处理，室温10-35℃下，时间在60-120分钟。使用后的电解液可多次使用；
(3)取出金属铝片，用水冲洗，放入纯水中浸泡1-20小时，然后350℃灼烧30-120分钟；
(4)按80∶15∶4∶1的体积比，将乙醇、钛酸四丁酯、三乙醇胺和水混合均匀，按10％的质量比加入二氧化钛粉末(纳米或微米级)，充分分散搅匀制成均匀悬浮液；
(5)将处理后的金属铝片浸入悬浮液中，用手工或机械法缓慢提拉镀膜，105℃干燥或自然干燥，
(6)将镀好的金属铝片放入马弗炉中，以10℃/min的速度升温至500℃，保持1小时，随炉温自然冷却。
以金属锌片为例，具体步骤同金属铝片，不同之处仅在于：进行阳极处理时间为10-15分钟；在马弗炉中灼烧温度为350℃。

Claims (4)

1、金属表面负载二氧化钛光催化剂的方法，其特征是按下述步骤实现：1)、金属表面处理，2)、负载二氧化钛光催化剂。
2、根据权利要求1所述的金属表面负载二氧化钛光催化剂的方法，其特征是所述的金属表面处理按下述步骤实现：a、清洁金属表面：用细砂纸轻擦金属表面的氧化层，并擦净；b、阳极氧化：在酸性介质中，以石墨为阴极，以金属为阳极，在室温下，在25-80A/m2电流密度范围进行氧化10-120分钟；c、水解处理：在纯水中静置水化1-20小时，300-350℃灼烧30-120分钟。
3、根据权利要求1所述的金属表面负载二氧化钛光催化剂的方法，其特征是所述的负载二氧化钛光催化剂按下述步骤实现：a、将乙醇、钛酸四丁酯、三乙醇胺和水按80∶15∶4∶1的体积比混合，搅拌均匀后，按质量比5-20％的量加入二氧化钛粉末，搅拌均匀；b、将处理过的金属浸入悬浮液中，用浸取提拉法镀膜，然后于105℃干燥；c、将处理干燥后的金属镀件放入马弗炉中，逐渐升温到350-500℃，灼烧保温1小时。
4、根据权利要求1、2、3所述的金属表面负载二氧化钛光催化剂的方法，其特征是所述的金属为铝、锌或者及其合金。
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