RU2562485C1 - Photocatalytic sorbing fabric material - Google Patents

Photocatalytic sorbing fabric material Download PDF

Info

Publication number
RU2562485C1
RU2562485C1 RU2014143564/05A RU2014143564A RU2562485C1 RU 2562485 C1 RU2562485 C1 RU 2562485C1 RU 2014143564/05 A RU2014143564/05 A RU 2014143564/05A RU 2014143564 A RU2014143564 A RU 2014143564A RU 2562485 C1 RU2562485 C1 RU 2562485C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
titanium dioxide
sio
photocatalytic
photocatalyst
20tio
Prior art date
Application number
RU2014143564/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валентин Николаевич Пармон
Денис Владимирович Козлов
Дмитрий Сергеевич Селищев
Павел Анатольевич Колинько
Евгений Николаевич Грибов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Priority to RU2014143564/05A priority Critical patent/RU2562485C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2562485C1 publication Critical patent/RU2562485C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: material is a structurally organised system which consists of a fabric base coated with an intermediate silicon dioxide layer and an outer layer of photocatalytically active nanocrystalline titanium dioxide of an anatase modification.
EFFECT: efficient adsorption cleaning of gaseous and aqueous media while enabling subsequent self-cleaning by breaking down accumulated contaminants under the effect of ultraviolet and visible radiation to safe components.
2 cl, 2 dwg, 3 tbl, 10 ex

Description

Изобретение относится к области разработки самоочищающегося тканевого материала, обладающего фотокаталитической активностью под действием ультрафиолетового или видимого излучения и предназначенного для фотокаталитической деструкции опасных органических и неорганических веществ и макромолекул. Материал предназначен для создания самоочищающихся покрытий и поверхностей, средств индивидуальной защиты, обладающих функцией самоочистки, самодегазирующихся костюмов и использования в системах очистки воды и воздуха в качестве сменного тканевого фильтра.The invention relates to the field of development of self-cleaning tissue material having photocatalytic activity under the influence of ultraviolet or visible radiation and intended for photocatalytic destruction of hazardous organic and inorganic substances and macromolecules. The material is intended to create self-cleaning coatings and surfaces, personal protective equipment with the function of self-cleaning, self-degassing suits and use in water and air purification systems as a replaceable fabric filter.

Известно, что для очистки воды и воздуха помещений преимущественно используют методы, основанные на явлениях сорбции и концентрирования на поверхности или в объеме веществ, называющихся сорбентами. При этом во многих случаях аккумулирование загрязнителя на сорбенте происходит без изменения его химической структуры. Поэтому со временем эффективность сорбционной очистки падает, требуется регенерация сорбента, и остается проблема дальнейшей утилизации накопленных в результате очистки загрязнителей.It is known that for the purification of water and indoor air, methods based on the phenomena of sorption and concentration on the surface or in the bulk of substances called sorbents are mainly used. Moreover, in many cases, the accumulation of the pollutant on the sorbent occurs without changing its chemical structure. Therefore, over time, the efficiency of sorption treatment decreases, the regeneration of the sorbent is required, and there remains the problem of further disposal of pollutants accumulated as a result of treatment.

С другой стороны известно, что диоксид титана преимущественно в анатазной модификации при облучении ультрафиолетовым светом обладает высокой окислительной активностью и способен окислять большинство адсорбированных на его поверхности соединений, включая летучие органические и неорганические соединения. В связи с этим фотокаталитические технологии, основанные на применении в качестве фотокатализатора диоксида титана, являются перспективным методом очистки, так как в большинстве случаев обеспечивают полное окисление загрязнителей до углекислого газа, воды и минеральных кислот.On the other hand, it is known that titanium dioxide predominantly in anatase modification when irradiated with ultraviolet light has a high oxidative activity and is able to oxidize most compounds adsorbed on its surface, including volatile organic and inorganic compounds. In this regard, photocatalytic technologies based on the use of titanium dioxide as a photocatalyst are a promising purification method, since in most cases they provide complete oxidation of pollutants to carbon dioxide, water and mineral acids.

Разработка высокоактивных фотокатализаторов на основе диоксида титана с большой удельной поверхностью являлась предметом ряда изобретений.The development of highly active photocatalysts based on titanium dioxide with a large specific surface area has been the subject of a number of inventions.

Известен способ получения диоксида титана (US 5718878, C01B 37/00, 17.02.1998) золь-гель методом из алкоксида титана в водно-органическом растворе с использованием стабилизирующего агента, такого как алкил амин с числом атомов углерода в алкильной группе от 6 до 18. Указанный способ позволяет получать диоксид титана с площадью поверхности более 300 м2/г и размером пор не более 100 Ангстрем, который обладает фотокаталической активностью. Известен способ получения фотокатализатора на основе диоксида титана анатазной модификации (RU 2494045, C01G 23/053, 27.09.2013) путем приготовления водного раствора сульфата титанила и серной кислоты и его последующего гидролиза в гидротермальных условиях с одновременной обработкой раствора микроволновым излучением. Указанный способ позволяет получать фотокатализатор с высоким выходом и удельной поверхностью более 300 м2/г, который обладает высокой фотокаталитической активностью.A known method of producing titanium dioxide (US 5718878, C01B 37/00, 02.17.1998) sol-gel method from titanium alkoxide in an aqueous-organic solution using a stabilizing agent such as an alkyl amine with the number of carbon atoms in the alkyl group from 6 to 18 The specified method allows to obtain titanium dioxide with a surface area of more than 300 m 2 / g and a pore size of not more than 100 Angstroms, which has photocatalytic activity. A known method for producing a photocatalyst based on anatase titanium dioxide (RU 2494045, C01G 23/053, 09/27/2013) by preparing an aqueous solution of titanyl sulfate and sulfuric acid and its subsequent hydrolysis in hydrothermal conditions with simultaneous treatment of the solution with microwave radiation. The specified method allows to obtain a photocatalyst with a high yield and a specific surface area of more than 300 m 2 / g, which has a high photocatalytic activity.

Также известно, что использование диоксида титана, модифицированного благородными металлами, такими как серебро, золото, платина и палладий, позволяет проводить фотокаталитическое окисление не только под действием ультрафиолетового излучения, но и под видимым светом. Например, в работе (Á. Veres, Т. Rica, L. Janovák, Μ. Dömök, N. Buzás, V. Zöllmer, Т. Seemann, A. Richardt, I. Dékány, Silver and gold modified plasmonic TiO2 hybrid films for photocatalytic decomposition of ethanol under visible light, Catalysis Today, 181 (2012) 156-162) наносили частицы золота или серебра на поверхность диоксида титана TiO2 Degusssa P25 методом фотовосстановления из соответствующих предшественников до достижения содержания частиц металла, равного 0,5 мас. %. Было показано, что для фотокатализаторов, модифицированных благородными металлами, значительно увеличивается скорость окисления паров этанола под действием видимого света с длиной волны больше 435 нм по сравнению с немодифицированным диоксидом титана.It is also known that the use of titanium dioxide modified with noble metals such as silver, gold, platinum and palladium allows photocatalytic oxidation to be carried out not only under the influence of ultraviolet radiation, but also under visible light. For example, in (Á. Veres, T. Rica, L. Janovák, Μ. Dömök, N. Buzás, V. Zöllmer, T. Seemann, A. Richardt, I. Dékány, Silver and gold modified plasmonic TiO 2 hybrid films for photocatalytic decomposition of ethanol under visible light, Catalysis Today, 181 (2012) 156-162) applied gold or silver particles to the surface of titanium dioxide TiO 2 Degusssa P25 by photoreduction from their respective precursors to achieve a metal particle content of 0.5 wt. % It was shown that for photocatalysts modified with noble metals, the rate of oxidation of ethanol vapor under the influence of visible light with a wavelength of more than 435 nm is significantly increased compared to unmodified titanium dioxide.

Дополнительным преимуществом фотокатализаторов на основе диоксида титана с нанесенной платиной является то, что в отличие от немодифицированного TiO2 они способны с достаточно высокой скоростью окислять угарный газ до CO2. Например, в работе (Sangman Hwang, Myung Churl Lee, Wonyong Choi, Highly enhanced photocatalytic oxidation of CO on titania deposited with Pt nanoparticles: kinetics and mechanism, Applied Catalysis B: Environmental, 46 (2003) 49-63) проводили нанесение платины на поверхность трех образцов диоксида титана с различной удельной поверхностью методом фотовосстановления из платинохлористоводородной кислоты. На платинированных фотокатализаторах окисление 30 млн д. CO происходило за 4-6 мин освещения ультрафиолетовым излучением, в то время как на немодифицированном диоксиде титана скорость окисления CO была существенно ниже.An additional advantage of platinum supported titanium dioxide photocatalysts is that, unlike unmodified TiO 2, they are capable of oxidizing carbon monoxide to CO 2 at a fairly high rate. For example, in (Sangman Hwang, Myung Churl Lee, Wonyong Choi, Highly enhanced photocatalytic oxidation of CO on titania deposited with Pt nanoparticles: kinetics and mechanism, Applied Catalysis B: Environmental, 46 (2003) 49-63), platinum was deposited on the surface of three samples of titanium dioxide with a different specific surface by the method of photoreduction from platinum hydrochloric acid. On platinum photocatalysts, the oxidation of 30 ppm CO took place within 4–6 min of illumination with ultraviolet radiation, while on unmodified titanium dioxide the rate of CO oxidation was significantly lower.

Главным недостатком перечисленных выше изобретений является то, что получаемые фотокатализаторы представлены в виде мелкодисперсных порошков. В этом случае серьезной проблемой является необходимость отделения фотокатализатора от очищаемой водной или воздушной среды после проведения процесса, что значительно увеличивает его стоимость и затраты энергоресурсов. Поэтому для практического применения в системах очистки воды и воздуха и для создания фотокаталитических фильтров и материалов необходимо закрепление фотокатализатора на каком-либо носителе. Носитель должен обеспечивать высокую адгезию фотокатализатора, обладать большой удельной площадью поверхности, доступностью этой поверхности для освещения с помощью УФ ламп, достаточной механической прочностью и химической стабильностью.The main disadvantage of the above inventions is that the resulting photocatalysts are presented in the form of fine powders. In this case, a serious problem is the need to separate the photocatalyst from the cleaned water or air environment after the process, which significantly increases its cost and energy costs. Therefore, for practical use in water and air purification systems and for the creation of photocatalytic filters and materials, it is necessary to mount the photocatalyst on some medium. The carrier must provide high adhesion of the photocatalyst, have a large specific surface area, the availability of this surface for illumination with UV lamps, sufficient mechanical strength and chemical stability.

Разработка фотокаталитически активных материалов на основе тканых и нетканых неорганических и органических полотен с нанесенным фотокатализатором являлась предметом ряда изобретений.The development of photocatalytically active materials based on woven and non-woven inorganic and organic canvases coated with a photocatalyst was the subject of a number of inventions.

Известен материал (JP 2000199173, B01D 53/86, 18.07.2000), полученный путем погружения стеклоткани в коллоидный раствор диоксида титана и последующим прокаливанием материала при температурах 450-650°C. Указанный материал обладает фотокаталитической активностью в окислении органических веществ. Основным недостатком данного материала является низкая адгезия частиц TiO2 на стеклоткани из-за того, что волокна стеклоткани являются непористыми. Это приводит к тому, что фотокатализатор легко сдувается с материала. Из-за малого содержания фотокатализатора и его малой удельной площади поверхности такой материал обладает низкой адсорбционной способностью. К тому же он не может быть использован для создания самоочищающейся защитной одежды.Known material (JP 2000199173, B01D 53/86, 07/18/2000) obtained by immersing fiberglass in a colloidal solution of titanium dioxide and subsequent calcination of the material at temperatures of 450-650 ° C. The specified material has photocatalytic activity in the oxidation of organic substances. The main disadvantage of this material is the low adhesion of TiO 2 particles to fiberglass due to the fact that the fiberglass fibers are non-porous. This leads to the fact that the photocatalyst is easily blown away from the material. Due to the low content of the photocatalyst and its small specific surface area, such a material has a low adsorption capacity. Moreover, it cannot be used to create self-cleaning protective clothing.

Для увеличения адгезии частиц диоксида титана и создания прочносвязанного слоя фотокатализатора на поверхности носителя используют различные клеящие составы. Известен материал (JP 11290700, B01J 31/06, 26.10.1999), являющийся фотокаталитически активной тканью на основе стекловолокна, пропитанного суспензией диоксида титана анатазной модификации в тетрафторэтиленовом полимере. Указанный материал обладает высокой адгезией фотокатализатора к тканевой основе. Известен способ получения ткани (US 2005/0227557, B32B 5/02, 09.04.2004), обладающей функциями стерилизации, дезодорации, самоочистки и защиты от образования плесени при облучении светом, путем пропитки отмытой тканевой основы водной суспензией, содержащей от 0,1 до 10 мас. % порошка диоксида титана, и от 1 до 5 мас. % ацетона, и от 2 до 10 мас. % смолы. Указанный материал обладает высокой адгезией фотокатализатора к тканевой основе.Various adhesives are used to increase the adhesion of titanium dioxide particles and create a strongly bonded photocatalyst layer on the surface of the carrier. Known material (JP 11290700, B01J 31/06, 10.26.1999), which is a photocatalytically active fabric based on fiberglass impregnated with a suspension of anatase titanium dioxide in a tetrafluoroethylene polymer. The specified material has a high adhesion of the photocatalyst to the tissue base. A known method of producing tissue (US 2005/0227557, B32B 5/02, 04/09/2004), having the functions of sterilization, deodorization, self-cleaning and protection against mold formation when irradiated with light, by impregnating the washed tissue base with an aqueous suspension containing from 0.1 to 10 wt. % titanium dioxide powder, and from 1 to 5 wt. % acetone, and from 2 to 10 wt. % resin. The specified material has a high adhesion of the photocatalyst to the tissue base.

Главным недостатком перечисленных выше материалов является то, что использование клеевого метода ухудшает пористую структуру фотокатализатора, так как часть поверхности фотокатализатора оказывается блокированной клеем. Это приводит к низкой фотокаталитической активности и сорбционной способности такого материала. А также к тому, что при эксплуатации материала будет происходить окисление органического клея фотокатализатором с возможным выделением опасных химических веществ, таких как формальдегид, и ухудшение эксплуатационных характеристик материала.The main disadvantage of the above materials is that the use of the adhesive method degrades the porous structure of the photocatalyst, since part of the surface of the photocatalyst is blocked by glue. This leads to low photocatalytic activity and sorption ability of such a material. And also to the fact that during the operation of the material, the organic glue will be oxidized by the photocatalyst with the possible release of hazardous chemicals such as formaldehyde and a deterioration in the performance of the material.

Известен материал (Tung, W.S. Understanding photocatalytic behavior on biomaterials: Insights from TiO2 concentration / W.S. Tung, W.A. Daoud, S.K. Leung // J. Colloid Interface Sci. 2009. - Vol. 339. - P. 424-433) на основе активированных углеродных волокон, полученных из вискозных нитей и имеющих удельную поверхность 934 м2/г, на которые нанесен диоксид титана путем гидролиза паров тетрахлорида титана. Для увеличения кристалличности диоксида титана материал прокаливают при температуре 600-1000°C в токе аргона для предотвращения выгорания носителя. Данный материал проявляет фотокаталитическую активность в окислении красителя метиленового синего в водном растворе и обладает высокой адсорбционной способностью. Недостатком указанного материала является то, что он обладает низкими прочностными характеристиками и не может быть использован для изготовления защитной одежды. Кроме того углеродная основа частично поглощает ультрафиолетовое излучение и усиливает электрон-дырочную рекомбинацию на частицах фотокатализатора за счет своих проводящих свойств, что в результате приводит к снижению фотокаталитической активности материала в целом.Known material (Tung, WS Understanding photocatalytic behavior on biomaterials: Insights from TiO 2 concentration / WS Tung, WA Daoud, SK Leung // J. Colloid Interface Sci. 2009. - Vol. 339. - P. 424-433) based activated carbon fibers obtained from viscose yarns and having a specific surface area of 934 m 2 / g, onto which titanium dioxide is deposited by hydrolysis of titanium tetrachloride vapor. To increase the crystallinity of titanium dioxide, the material is calcined at a temperature of 600-1000 ° C in an argon flow to prevent burnout of the carrier. This material exhibits photocatalytic activity in the oxidation of dye methylene blue in an aqueous solution and has a high adsorption capacity. The disadvantage of this material is that it has low strength characteristics and cannot be used for the manufacture of protective clothing. In addition, the carbon base partially absorbs ultraviolet radiation and enhances electron-hole recombination on the particles of the photocatalyst due to its conductive properties, which as a result leads to a decrease in the photocatalytic activity of the material as a whole.

Наиболее близким к данному изобретению является способ получения фильтрующе-сорбирующего материала с фотокаталитическими свойствами (RU 2482912, B01J 20/02, 27.05.2013), состоящий в том, что текстильную основу, в качестве которой используют хлопковую или хлопкополиэфирную ткань с содержанием хлопка не менее 35%, пропитывают титан-силикатным комплексом, включающим диоксид кремния, освобожденный от ионов натрия, и фотокаталитически активный диоксид титана анатазной формы при массовом отношении диоксида титана и диоксида кремния (1-3):5. Полученный таким способом материал обладает высокой фотокаталитической активностью под действием ультрафиолета в окислении летучих соединений, таких как аммиак, ацетон, бензол, ксилол и этилацетат.Closest to this invention is a method of obtaining a filtering and sorbing material with photocatalytic properties (RU 2482912, B01J 20/02, 05.27.2013), which consists in the fact that the textile base, which is used as a cotton or cotton polyester fabric with a cotton content of at least 35%, impregnated with a titanium-silicate complex, including silicon dioxide, freed from sodium ions, and anatase photocatalytically active titanium dioxide with a mass ratio of titanium dioxide and silicon dioxide (1-3): 5. The material obtained in this way has high photocatalytic activity under the action of ultraviolet radiation in the oxidation of volatile compounds such as ammonia, acetone, benzene, xylene and ethyl acetate.

Существенным недостатком данного способа является то, что получаемый материал является структурно-неорганизованным, так как частицы диоксида титана хаотично распределены в титан-силикатном слое на поверхности ткани. Поэтому значительная доля частиц диоксида титана имеет тесный контакт с поверхностью тканевых волокон и окисляет их, что в результате приводит к сильной самодеструкции материала и его полному разрушению при длительном воздействии ультрафиолетового излучения. Из-за того, что частицы диоксида титана внедрены в кремнезем, образующийся в результате золь-гель процесса, наблюдается частичное блокирование поверхности и ухудшается транспорт молекул окисляемых субстратов к поверхности фотокатализатора, и поэтому наблюдается снижение фотокаталитической активности. Также указанный материал проявляет фотокаталитическую активность только под действием ультрафиолетового излучения и не может проводить окисление под действием видимого света. Кроме того он не обладает фотокаталитической активностью в окислении угарного газа.A significant disadvantage of this method is that the resulting material is structurally disorganized, since particles of titanium dioxide are randomly distributed in the titanium-silicate layer on the surface of the fabric. Therefore, a significant proportion of titanium dioxide particles has close contact with the surface of tissue fibers and oxidizes them, which results in strong self-destruction of the material and its complete destruction upon prolonged exposure to ultraviolet radiation. Due to the fact that titanium dioxide particles are embedded in silica resulting from the sol-gel process, a partial blocking of the surface is observed and the transport of oxidized substrate molecules to the surface of the photocatalyst is impaired, and therefore, a decrease in photocatalytic activity is observed. Also, this material exhibits photocatalytic activity only under the influence of ultraviolet radiation and cannot oxidize under the influence of visible light. In addition, it does not have photocatalytic activity in the oxidation of carbon monoxide.

Из приведенных примеров видно, что несмотря на множество созданных изобретений не удается добиться того, чтобы получаемый материал одновременно удовлетворял нескольким требованиям, а именно: 1) являлся фотокаталитически активным тканевым материалом на основе текстильных тканей для возможности использования при создании защитной одежды с функцией самоочистки; 2) обладал высокой сорбционной способностью за счет большого содержания высокодисперсных частиц; 3) обладал высокой стабильностью к самодеструкции при длительном воздействии ультрафиолетового излучения; 4) обладал фотокаталитической активностью под действием видимого света; 5) обладал фотокаталитической активностью в окислении угарного газа.It can be seen from the above examples that, despite the many inventions created, it is not possible to ensure that the resulting material simultaneously satisfies several requirements, namely: 1) it is a photocatalytically active fabric material based on textile fabrics for use in creating protective clothing with a self-cleaning function; 2) had a high sorption ability due to the high content of fine particles; 3) possessed high stability to self-destruction under prolonged exposure to ultraviolet radiation; 4) had photocatalytic activity under the influence of visible light; 5) possessed photocatalytic activity in the oxidation of carbon monoxide.

Настоящее изобретение ставит своей задачей разработку тканевого материала, удовлетворяющего перечисленным выше критериям.The present invention aims to develop a fabric material that meets the above criteria.

Задача решается предлагаемым материалом для фотокаталитической и адсорбционной очистки газовых и водных сред, который представляет собой структурно-организованную систему, состоящую из текстильной тканевой основы, промежуточного изолирующего слоя из пористого диоксида кремния и наружного фотокаталитически активного слоя.The problem is solved by the proposed material for photocatalytic and adsorption purification of gas and aqueous media, which is a structurally organized system consisting of a textile fabric base, an intermediate insulating layer of porous silicon dioxide and an outer photocatalytically active layer.

Наружный фотокаталитически активный слой содержит фотокатализатор, чувствительный к ультрафиолетовому свету, состоящий из нанокристаллического диоксида титана анатазной модификации, или чувствительный к ультрафиолетовому и видимому свету, состоящий из нанокристаллического диоксида титана анатазной модификации, дополнительно модифицированного частицами благородных металлов, таких как золото или платина или их смеси, в количестве 0,1-2% от массы нанесенного диоксида титана.The outer photocatalytically active layer contains a photocatalyst sensitive to ultraviolet light, consisting of nanocrystalline titanium dioxide anatase modification, or sensitive to ultraviolet and visible light, consisting of nanocrystalline titanium dioxide anatase modification further modified by particles of noble metals such as gold or platinum or their , in an amount of 0.1-2% by weight of the deposited titanium dioxide.

Модель структуры волокна разрабатываемого материала представлена на Фиг. 1.The fiber structure model of the material being developed is shown in FIG. one.

Важной особенностью использования фотокатализатора в составе материалов на основе органических тканей является то, что в результате воздействия УФ света на поверхности фотокатализатора образуются мощные окислители, способные разрушать органические соединения, контактирующие с ним, а значит и саму тканевую основу. Использование оксида кремния позволяет увеличить сорбционную способность ткани и сформировать промежуточный изолирующий слой между поверхностью тканевых волокон и поверхностью фотокатализатора, тем самым препятствуя их прямому контакту с целью предотвращения самодеструкции тканевой основы.An important feature of the use of the photocatalyst in the composition of materials based on organic tissues is that as a result of exposure to UV light, powerful oxidizing agents are formed on the surface of the photocatalyst, which can destroy the organic compounds in contact with it, and hence the fabric base itself. The use of silicon oxide allows to increase the sorption capacity of the tissue and to form an intermediate insulating layer between the surface of the tissue fibers and the surface of the photocatalyst, thereby preventing their direct contact in order to prevent self-destruction of the tissue base.

Фотокатализатор на основе нанокристаллического диоксида титана в анатазной модификации с удельной поверхностью более 300 м2/г позволяет придать ткани высокую окислительную способность под действием ультрафиолетового света и высокую сорбционную способность. Фотокатализатор на основе нанокристаллического диоксида титана в анатазной модификации, на поверхность которого дополнительно нанесены частицы благородных металлов, преимущественно золота, содержание которого составляет 0,1-2% от массы диоксида титана, позволяет придать ткани фотокаталитическую активность под действием видимого излучения. Фотокатализатор на основе нанокристаллического диоксида титана в анатазной модификации, на поверхность которого нанесены частицы благородных металлов, преимущественно платины, содержание которой составляет 0,1-2% от массы диоксида титана, позволяет придать ткани фотокаталитическую активность в окислении угарного газа под действием ультрафиолетового излучения.The anatase-based photocatalyst based on nanocrystalline titanium dioxide with a specific surface area of more than 300 m 2 / g allows the tissue to give high oxidative power under the influence of ultraviolet light and high sorption ability. A photocatalyst based on nanocrystalline titanium dioxide in anatase modification, on the surface of which additionally deposited particles of noble metals, mainly gold, whose content is 0.1-2% by weight of titanium dioxide, allows photocatalytic activity to be imparted to the tissue under the influence of visible radiation. An anatase-based photocatalyst based on nanocrystalline titanium dioxide, on the surface of which particles of noble metals are deposited, mainly platinum, the content of which is 0.1-2% by weight of titanium dioxide, which allows the tissue to give photocatalytic activity in the oxidation of carbon monoxide by ultraviolet radiation.

Технический результат заключается в тканевом материале, обладающем высокой фотокаталитической активностью под действием ультрафиолетового или видимого излучения и высокой сорбционной способностью, проявляющим высокую стабильность к самодеструкции при длительном облучении. Полученный заявляемым способом материал предназначен для создания самоочищающихся покрытий и поверхностей, средств индивидуальной защиты, обладающих функцией самоочистки, самодегазирующихся костюмов и использования в системах очистки воды и воздуха в качестве сменного тканевого фильтра.The technical result consists in a fabric material having high photocatalytic activity under the influence of ultraviolet or visible radiation and high sorption ability, showing high stability to self-destruction during prolonged irradiation. Obtained by the claimed method, the material is intended to create self-cleaning coatings and surfaces, personal protective equipment with the function of self-cleaning, self-degassing suits and use in water and air purification systems as a replaceable fabric filter.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.The invention is illustrated by the following examples.

В примерах в качестве тканевой основы используют 100% хлопковую ткань «Панацея «Cotton 350» (ГК «Чайковский текстиль») с поверхностной плотностью 350 г/м2, предварительно отмытую с использованием анионного детергента «7Х» и неионного детергента «Triton Х-100» (ООО «Компания Хеликон») и дистиллированной воды. Подготовленную ткань нарезают на куски размером 85×85 мм.In the examples, 100% cotton “Panacea Cotton 350” (Tchaikovsky Textile Group of Companies) with a surface density of 350 g / m 2 , pre-washed using anionic detergent “7X” and non-ionic detergent “Triton X-100 ”(Helikon Company LLC) and distilled water. The prepared tissue is cut into pieces of size 85 × 85 mm.

Для нанесения защитного слоя из оксида кремния используют свежеприготовленный золь диоксида кремния, полученный путем гидролиза тетраэтилортосиликата Si(OC2H5)4 (ЗАО «Союзхимпром», ЧДА) в растворе изопропанола с водой, подкисленном серной кислотой, при соответствующем мольном соотношении компонентов, равном 1:3,8:6,4:0,085, или используют коммерческий гидрозоль диоксида кремния «Кремнезоль КЗ-Л» (ОАО «КазХимНИИ») с размером частиц 6,0-10,5 нм, очищенный от стабилизирующих ионов натрия путем обработки катионитом в кислотной форме. Отмытую тканевую основу сначала пропитывают золем SiO2 и помещают в герметичную камеру на срок не менее 10 часов для протекания процесса конденсации золя в гель SiO2. В результате на поверхности тканевых волокон образуется равномерный слой из пористого диоксида кремния. После этого обработанную ткань высушивают на воздухе, промывают дистиллированной водой и окончательно высушивают при температуре не более 90°C.To apply a protective layer of silicon oxide, freshly prepared silica sol is used, obtained by hydrolysis of Si tetraethylorthosilicate (OC 2 H 5 ) 4 (ZAO Soyuzkhimprom, ChDA) in a solution of isopropanol with water acidified with sulfuric acid, with an appropriate molar ratio of components equal to 1: 3.8: 6.4: 0.085, or use commercial silica hydrosol “Kremnezol KZ-L” (OJSC “KazKhimNII”) with a particle size of 6.0-10.5 nm, purified from stabilizing sodium ions by treatment with cation exchange resin in acid form. The washed fabric base is first impregnated with SiO 2 sol and placed in a sealed chamber for a period of at least 10 hours to allow the sol to condense into the SiO 2 gel. As a result, a uniform layer of porous silicon dioxide forms on the surface of the fabric fibers. After that, the treated tissue is dried in air, washed with distilled water and finally dried at a temperature of not more than 90 ° C.

Для нанесения фотокаталитически активного слоя используют сульфат титанила TiOSO4 (ЗАО «Реахим», ХЧ), из которого готовят водный раствор с концентрацией 10 мас. %, и нанокристаллический диоксид титана TiO2 Hombifine N (Sachtleben Chemie GmbH), являющийся 100% анатазом с удельной поверхностью 350 м2/г и размером кристаллитов 10-15 нм. Ткань с нанесенным диоксидом кремния пропитывают раствором сульфата титанила и помещают на 1 ч в водную суспензию нанокристаллического диоксида титана с концентрацией 0,5-20 г/л, температуру которой поддерживают постоянной в диапазоне 70-90°C. Суспензию интенсивно перемешивают и дополнительно обрабатывают ультразвуком (20 кГц) для равномерного распределения частиц TiO2 по всему объему суспензии. В результате на поверхности тканевого материала образуется наружный прочносвязанный фотокаталитический слой из пористого диоксида титана. После этого обработанную ткань высушивают на воздухе, промывают дистиллированной водой и окончательно высушивают при температуре не более 90°C.For the deposition of the photocatalytically active layer, TiOSO 4 titanyl sulfate (Reachim CJSC) is used, from which an aqueous solution with a concentration of 10 wt. %, and nanocrystalline titanium dioxide TiO 2 Hombifine N (Sachtleben Chemie GmbH), which is 100% anatase with a specific surface area of 350 m 2 / g and a crystallite size of 10-15 nm. The fabric coated with silicon dioxide is impregnated with a solution of titanyl sulfate and placed for 1 h in an aqueous suspension of nanocrystalline titanium dioxide with a concentration of 0.5-20 g / l, the temperature of which is maintained constant in the range of 70-90 ° C. The suspension is intensively mixed and further treated with ultrasound (20 kHz) to evenly distribute TiO 2 particles throughout the volume of the suspension. As a result, an external tightly bound photocatalytic layer of porous titanium dioxide is formed on the surface of the fabric material. After that, the treated tissue is dried in air, washed with distilled water and finally dried at a temperature of not more than 90 ° C.

Для придания материалу фотокаталитической активности под действием видимого света используют диоксид титана, модифицированный золотом или платиной. Модифицирование поверхности фотокатализатора золотом проводят путем прибавления к водной суспензии TiO2 водного раствора HAuCl4, подкисленного HCl, с последующим восстановлением трехкратным избытком NaBH4. В завершении проводят отмывку катализатора путем многократного центрифугирования до достижения значения pH смывов, равного 5, и последующую сушку при 120°C в течение 2 ч. Модифицирование поверхности фотокатализатора платиной проводят методом пропитки порошка TiO2 водным раствором H2PtCl6, подкисленным HCl, с заданной концентрацией для получения требуемого содержания платины с последующей обработкой ультразвуком (20 кГц) в течение 30 мин. Полученный катализатор высушивают при 120°C в течение 2 ч и прокаливают на воздухе при 650°C в течение 3 ч или проводят восстановление трехкратным избытком NaBH4. В завершении проводят отмывку катализатора и последующую сушку при 120°C в течение 2 ч.To give the material photocatalytic activity under the action of visible light, titanium dioxide modified with gold or platinum is used. Modification of the surface of the photocatalyst with gold is carried out by adding to an aqueous suspension of TiO 2 an aqueous solution of HAuCl 4 acidified with HCl, followed by reduction with a three-fold excess of NaBH 4 . Finally, the catalyst is washed by centrifugation repeatedly until the pH of the washings reaches 5 and then dried at 120 ° C for 2 hours. The surface of the photocatalyst is modified with platinum by impregnating the TiO 2 powder with an aqueous solution of H 2 PtCl 6 acidified with HCl, s predetermined concentration to obtain the desired platinum content, followed by sonication (20 kHz) for 30 minutes The resulting catalyst was dried at 120 ° C for 2 hours and calcined in air at 650 ° C for 3 hours, or a three-fold excess of NaBH 4 was reduced. Finally, the catalyst is washed and subsequently dried at 120 ° C for 2 hours.

Пример 1.Example 1

Готовят образец материала, состоящего из тканевой основы, на которую нанесен промежуточный изолирующий слой диоксида кремния путем пропитки свежеприготовленным золем SiO2 и затем фотокаталитически активный слой путем пропитки раствором сульфата титанила и суспензией нанокристаллического диоксида титана. Концентрация диоксида титана в пропиточной суспензии составляет 2 г/л.A sample of material is prepared consisting of a fabric base onto which an intermediate insulating layer of silicon dioxide is applied by impregnation with freshly prepared SiO 2 sol and then a photocatalytically active layer by impregnation with a solution of titanyl sulfate and a suspension of nanocrystalline titanium dioxide. The concentration of titanium dioxide in the impregnation suspension is 2 g / L.

Образец помечают как 2TiO2/SiO2-T/T.The sample is labeled as 2TiO 2 / SiO 2 -T / T.

Пример 2.Example 2

Аналогичен примеру 1 с тем исключением, что концентрация диоксида титана в пропиточной суспензии составляет 20 г/л.Similar to example 1 with the exception that the concentration of titanium dioxide in the impregnation suspension is 20 g / L.

Образец помечают как 20TiO2/SiO2-T/T.The sample is labeled as 20TiO 2 / SiO 2 -T / T.

Пример 3.Example 3

Аналогичен примеру 1 с тем исключением, что используют не свежеприготовленный золь диоксида кремния, а коммерческий гидрозоль диоксида кремния «Кремнезоль КЗ-Л», очищенный от стабилизирующий ионов натрия обработкой катионитом в кислотной форме.Similar to example 1 with the exception that they use not a freshly prepared silica sol, but a commercial silica sol “Silica sol KZ-L”, purified from stabilizing sodium ions by treatment with cation exchange resin in acid form.

Образец помечают как 2TiO2/SiO2-К/Т.The sample is labeled as 2TiO 2 / SiO 2 —K / T.

Пример 4.Example 4

Аналогичен примеру 3 с тем исключением, что концентрация диоксида титана в водной суспензии составляет 20 г/л.Similar to example 3 with the exception that the concentration of titanium dioxide in the aqueous suspension is 20 g / L.

Образец помечают как 20TiO2/SiO2-К/T.The sample is labeled as 20TiO 2 / SiO 2 -K / T.

Пример 5 (сравнительный).Example 5 (comparative).

Готовят сравнительный образец материала, содержащий только фотокаталитический слой из диоксида титана без промежуточного изолирующего слоя из диоксида кремния. Концентрация диоксида титана в пропиточной суспензии составляет 2 г/л.A comparative material sample is prepared containing only the photocatalytic layer of titanium dioxide without an intermediate insulating layer of silicon dioxide. The concentration of titanium dioxide in the impregnation suspension is 2 g / L.

Образец помечают как 2TiO2/T.The sample is labeled as 2TiO 2 / T.

Пример 6 (сравнительный).Example 6 (comparative).

Аналогичен примеру 5 с тем исключением, что концентрация диоксида титана в водной суспензии составляет 20 г/л.Similar to example 5 with the exception that the concentration of titanium dioxide in the aqueous suspension is 20 g / L.

Образец помечают как 20TiO2/Т.The sample is labeled as 20TiO 2 / T.

Пример 7 (сравнительный).Example 7 (comparative).

Готовят сравнительный образец материала, состоящего из тканевой основы, на которую нанесены из совместной суспензии диоксид кремния и фотокаталитически активный диоксид титана. Образец готовят путем пропитки тканевой основы суспензией нанокристаллического диоксида титана в гидрозоле диоксида кремния «Кремнезоль КЗ-Л», очищенного от стабилизирующих ионов натрия обработкой катионитом в кислотной форме. Концентрация диоксида титана в пропиточной суспензии составляет 2 г/л.A comparative sample is prepared of a material consisting of a fabric base onto which silicon dioxide and photocatalytically active titanium dioxide are applied from a joint suspension. The sample is prepared by impregnating the fabric base with a suspension of nanocrystalline titanium dioxide in the silica hydrosol “Silica sol KZ-L”, purified from stabilizing sodium ions by treatment with cation exchange resin in acid form. The concentration of titanium dioxide in the impregnation suspension is 2 g / L.

Образец помечают как 2TiO2+SiO2-К/Т.The sample is labeled as 2TiO 2 + SiO 2 -K / T.

Пример 8 (сравнительный).Example 8 (comparative).

Аналогичен примеру 7 с тем исключением, что концентрация диоксида титана в пропиточной суспензии составляет 20 г/л.Similar to example 7 with the exception that the concentration of titanium dioxide in the impregnation suspension is 20 g / L.

Образец помечают как 20TiO2+SiO2-К/Т.The sample is labeled as 20TiO 2 + SiO 2 —K / T.

Испытание фотокаталитической активности полученных материалов под действием ультрафиолетового излучения проводят в реакции окисления паров ацетона в проточно-циркуляционной установке. Изучение кинетики окисления проводят при 40°C и значениях объемной скорости потока 0,063-0,065 л/мин. Источником УФ излучения является светодиод (Nichia, Япония), интенсивность света в диапазоне длин волн 320-400 нм для данной экспериментальной постановки равнялась 9,7 мВт/см2.Testing the photocatalytic activity of the obtained materials under the influence of ultraviolet radiation is carried out in the oxidation reaction of acetone vapor in a flow-circulation installation. The study of the kinetics of oxidation is carried out at 40 ° C and a volumetric flow rate of 0.063-0.065 l / min. The source of UV radiation is a LED (Nichia, Japan), the light intensity in the wavelength range of 320-400 nm for this experimental formulation was 9.7 mW / cm 2 .

Концентрацию реагентов и продуктов анализируют по изменению площадей полос поглощения, соответствующих определенному веществу, на ИК спектрах, записанных с помощью ИК-Фурье спектрометра ФТ-801 (ООО НПФ «Симэкс», Россия), оснащенного длиннопроходной кюветой (Infrared Analysis, США) с длиной оптического пути, равной 2,4 м. Концентрация ацетона в конечной реакционной смеси составляет 15-25 мкмоль/л. Мерой фотокаталитической активности материалов является скорость образования CO2 при окислении ацетона, которую рассчитывают по следующей формуле:The concentration of reagents and products is analyzed by changing the area of the absorption bands corresponding to a specific substance on IR spectra recorded using an FT-801 FT-IR spectrometer (NPF Simeks, Russia) equipped with a long-pass cell (Infrared Analysis, USA) with a length optical path equal to 2.4 m. The concentration of acetone in the final reaction mixture is 15-25 μmol / L. A measure of the photocatalytic activity of materials is the rate of CO 2 formation during the oxidation of acetone, which is calculated by the following formula:

W C O 2 = Δ C C O 2 U

Figure 00000001
, W C O 2 = Δ C C O 2 U
Figure 00000001
,

где Δ C C O 2

Figure 00000002
- разность концентраций CO2 в конечной и исходной реакционных смесях (мкмоль/л), U - объемная скорость (л/мин).Where Δ C C O 2
Figure 00000002
- the difference in the concentrations of CO 2 in the final and initial reaction mixtures (μmol / l), U is the space velocity (l / min).

Данные испытаний по определению фотокаталитической активности полученных материалов, а также по содержанию нанесенных модификаторов представлены в таблице 1.Test data to determine the photocatalytic activity of the obtained materials, as well as the content of the applied modifiers are presented in table 1.

Таблица 1Table 1 № п/пNo. p / p Наименование образцаSample Name Содержание SiO2, г/м2 The content of SiO 2 , g / m 2 Содержание TiO2, г/м2 The content of TiO 2 , g / m 2 Скорость образования CO2 мкмоль/минThe rate of formation of CO 2 μmol / min исходный образецsource sample после стирки*after washing * 1one 2TiO2/SiO2-Т/Т2TiO 2 / SiO 2 -T / T 96,596.5 2,132.13 0,920.92 0,870.87 22 20TiO2/SiO2-Т/Т20TiO 2 / SiO 2 -T / T 94,794.7 7,177.17 1,411.41 1,301.30 33 2TiO2/SiO2-К/Т2TiO 2 / SiO 2 -K / T 81,881.8 1,991.99 0,790.79 0,720.72 4four 20TiO2/SiO2-К/Т20TiO 2 / SiO 2 -K / T 77,977.9 6,476.47 1,331.33 1,241.24 55 2TiO22TiO 2 / T -- 7,467.46 0,990.99 0,220.22 66 20TiO220TiO 2 / T -- 12,1512.15 1,221.22 0,360.36 77 2TiO2+SiO2-К/Т2TiO 2 + SiO 2 -K / T 85,485,4 1,401.40 0,510.51 0,220.22 88 20TiO2+SiO2-К/Т20TiO 2 + SiO 2 -K / T 90,090.0 9,769.76 1,351.35 0,480.48 *образец подвергался трем циклам автоматического полоскания в воде в течение 30 минут и отжиму при скорости барабана 800 об/мин* the sample was subjected to three cycles of automatic rinsing in water for 30 minutes and spin at a drum speed of 800 rpm

Результаты испытаний показывают, что использование нанокристаллического диоксида титана в составе тканевого материала придает ему высокую фотокаталитическую активность под действием ультрафиолетового излучения. Наблюдается полное окисление паров ацетона до углекислого газа и воды без образования промежуточных продуктов. Скорость фотокаталитического окисления зависит от содержания диоксида титана в материале. Увеличение концентрации диоксида титана в пропиточной суспензии приводит к увеличению содержания TiO2, закрепленного на поверхности ткани, и при этом увеличивается фотокаталитическая активность материала.The test results show that the use of nanocrystalline titanium dioxide in the composition of the fabric material gives it high photocatalytic activity under the influence of ultraviolet radiation. Complete oxidation of acetone vapor to carbon dioxide and water is observed without the formation of intermediate products. The rate of photocatalytic oxidation depends on the content of titanium dioxide in the material. An increase in the concentration of titanium dioxide in the impregnation suspension leads to an increase in the content of TiO 2 fixed on the surface of the tissue, and the photocatalytic activity of the material increases.

Нанесение только одного диоксида титана (примеры 5-6) приводит к высокому содержанию TiO2 в материале и его высокой фотокаталитической активности. Но при этом частицы TiO2 обладают низкой адгезией к тканевой основе, о чем свидетельствует сильное снижение фотокаталитической активности после длительной стирки образцов.The application of only one titanium dioxide (examples 5-6) leads to a high content of TiO 2 in the material and its high photocatalytic activity. However, TiO 2 particles have low adhesion to the tissue base, as evidenced by a strong decrease in photocatalytic activity after long-term washing of the samples.

Образцы, содержащие диоксид кремния (примеры 1-4 и 7-8), обладают высокой сорбционной способностью за счет его большого содержания. Для этих образцов наблюдается снижение содержания диоксида титана по сравнению с образцами, содержащими только один фотокатализатор, но при этом фотокаталитическая активность таких материалов оказывается больше и в меньшей степени снижается после длительной стирки.Samples containing silicon dioxide (examples 1-4 and 7-8) have a high sorption capacity due to its high content. For these samples, a decrease in the titanium dioxide content is observed in comparison with samples containing only one photocatalyst, but the photocatalytic activity of such materials is greater and decreases to a lesser extent after long-term washing.

Если сравнивать образцы материалов, полученных путем последовательного нанесения защитного слоя SiO2 и фотокаталитического слоя TiO2 (примеры 1-4) и путем совместно нанесения SiO2 и TiO2 (примеры 7-8), то первые обладают большей фотокаталитической активностью, что обеспечено образованием структурно-организованной системы с промежуточным слоем SiO2 и наружным слоем фотокатализатора, в которой не происходит экранирование и блокирование частиц фотокатализатора. К тому же для материалов, полученных путем последовательного нанесения, фотокаталитическая активность после длительной стирки снижается значительно меньше, что свидетельствует о сильной адгезии частиц фотокатализатора в данных материалах. Наибольшую фотокаталитическую активность демонстрирует образец 20TiO2/SiO2-Т/Т.If we compare the samples of materials obtained by sequentially applying a protective layer of SiO 2 and a photocatalytic layer of TiO 2 (examples 1-4) and by simultaneously applying SiO 2 and TiO 2 (examples 7-8), the former have greater photocatalytic activity, which is ensured by the formation structurally organized system with an intermediate layer of SiO 2 and the outer layer of the photocatalyst, in which screening and blocking of the particles of the photocatalyst do not occur. In addition, for materials obtained by sequential application, the photocatalytic activity after long-term washing decreases significantly less, which indicates strong adhesion of the photocatalyst particles in these materials. The highest photocatalytic activity is demonstrated by the 20TiO 2 / SiO 2 -T / T sample.

Диоксид титана в составе материалов может вызывать деструкцию тканевой основы. Исследование стабильности материалов и анализ газообразных продуктов, образующихся при их самодеструкции при длительном облучении мощным ультрафиолетом, проводят в термостатируемом статическом реакторе объемом 300 мл при температуре 25°C, встроенном в кюветное отделение ИК-Фурье спектрометра Nicolet 380 (Thermo, США), так чтобы оптический путь датчика проходил через тазовую фазу в реакторе. Образец материала площадью 7 см2 помещают в реактор и освещают УФ светодиодом (Nichia, Япония). Интенсивность света в диапазоне длин волн 320-400 нм для данной экспериментальной постановки равнялась 10,2 мВт/см2. Измерение концентраций газообразных продуктов осуществлялось с помощью записываемых ИК спектров. Основным продуктом при самодеструкции материалов является CO2, поэтому стабильность материала оценивают по скорости образования CO2, чем меньше скорость образования CO2, тем выше стабильность материала.Titanium dioxide in the composition of materials can cause destruction of the fabric base. A study of the stability of materials and analysis of gaseous products formed during their self-destruction during prolonged irradiation with powerful ultraviolet light is carried out in a thermostatic static reactor with a volume of 300 ml at a temperature of 25 ° C, which is built into the cuvette compartment of a Nicolet 380 IR-Fourier spectrometer (Thermo, USA), so that the optical path of the sensor passed through the pelvic phase in the reactor. A sample of 7 cm 2 material was placed in a reactor and illuminated with a UV LED (Nichia, Japan). The light intensity in the wavelength range of 320-400 nm for this experimental formulation was 10.2 mW / cm 2 . The concentration of gaseous products was measured using recorded IR spectra. The main product in the self-destruction of materials is CO 2 , so the stability of the material is evaluated by the rate of CO 2 formation, the lower the rate of CO 2 formation, the higher the stability of the material.

Результаты испытаний материалов, полученных по примерам 1-8, представлены в таблице 2.The test results of the materials obtained in examples 1-8 are presented in table 2.

Таблица 2table 2 № п/пNo. p / p Наименование образцаSample Name Содержание SiO2, г/м2 The content of SiO 2 , g / m 2 Содержание TiO2, г/м2 The content of TiO 2 , g / m 2 Скорость образования CO2 при самодеструкции, мкмоль/минThe rate of formation of CO 2 during self-destruction, µmol / min 1one 2TiO2/SiO2-Т/Т2TiO 2 / SiO 2 -T / T 96,596.5 2,132.13 0,910.91 22 20TiO2/SiO2-Т/Т20TiO 2 / SiO 2 -T / T 94,794.7 7,177.17 1,031,03 33 2TiO2/SiO2-К/Т2TiO 2 / SiO 2 -K / T 81,881.8 1,991.99 1,321.32 4four 20TiO2/SiO2-К/Т20TiO 2 / SiO 2 -K / T 77,977.9 6,476.47 1,461.46 55 2TiO22TiO 2 / T -- 7,467.46 2,302,30 66 20TiO220TiO 2 / T -- 12,1512.15 3,593,59 77 2TiO2+SiO2-К/Т2TiO 2 + SiO 2 -K / T 85,485,4 1,401.40 1,641,64 88 20TiO2+SiO2-К/Т20TiO 2 + SiO 2 -K / T 90,090.0 9,769.76 2,062.06

Из представленных в таблице 2 данных (столбец 4) видно, что для образцов 2ТiO2/Т и 20TiO2/Т (примеры 5 и 6), содержащих только диоксид титана без изолирующего слоя, наблюдается высокая скорость самодеструкции материалов. Для образцов 2TiO2+SiO2-К/Т и 20TiO2+SiO2-К/Т (примеры 7 и 8), полученных совместным нанесением SiO2 и TiO2, скорость самодеструкции снижается, но все еще остается очень высокой. Наилучшим вариантом являются материалы с промежуточным слоем SiO2 (примеры 1-4). Промежуточный слой SiO2 позволяет значительно снизить скорость самодеструкции материалов за счет того, что он препятствует прямому контакту частиц фотокатализатора с поверхностью тканевых волокон и не дает их окислять. Частичная самодеструкция материалов с промежуточным слоем SiO2 может протекать из-за того, что высокореакционно-способные частицы, такие как OH-радикалы, образующиеся на поверхности фотокатализатора при облучении, могут мигрировать по поверхности и достигать тканевых волокон, постепенно окисляя их. Оптимальным по соотношению активности и стабильности является образец 20TiO2/SiO2-Т/Т.From the data presented in table 2 (column 4), it is seen that for samples of 2TiO 2 / T and 20TiO 2 / T (examples 5 and 6) containing only titanium dioxide without an insulating layer, a high rate of self-destruction of materials is observed. For samples of 2TiO 2 + SiO 2 -K / T and 20TiO 2 + SiO 2 -K / T (examples 7 and 8) obtained by the combined deposition of SiO 2 and TiO 2 , the self-destruction rate decreases, but still remains very high. The best option is materials with an intermediate layer of SiO 2 (examples 1-4). The intermediate layer of SiO 2 can significantly reduce the rate of self-destruction of materials due to the fact that it prevents direct contact of the particles of the photocatalyst with the surface of the fabric fibers and prevents them from oxidizing. Partial self-destruction of materials with an intermediate layer of SiO 2 can occur due to the fact that highly reactive particles, such as OH radicals formed on the surface of the photocatalyst during irradiation, can migrate along the surface and reach tissue fibers, gradually oxidizing them. The optimal ratio of activity and stability is a sample of 20TiO 2 / SiO 2 -T / T.

Таким образом, из представленных в таблицах 1 и 2 данных видно, что тканевые материалы, состоящие из текстильной ткани и последовательно нанесенных слоев SiO2 и фотокатализатора, обладают высокой сорбционной способностью за счет большого содержания высокодисперсных частиц (TiO2, SiO2), высокой фотокаталитической активностью в реакциях разложения летучих органических веществ под действием ультрафиолетового излучения до безвредных компонентов (CO2, H2O) за счет наличия в составе фотокаталитически активного диоксида титана и высокой стабильностью к самодеструкции при длительном облучении за счет наличия промежуточного изолирующего слоя из диоксида кремния.Thus, from the data presented in tables 1 and 2, it can be seen that fabric materials consisting of textile fabric and sequentially deposited layers of SiO 2 and a photocatalyst have a high sorption ability due to the high content of fine particles (TiO 2 , SiO 2 ), high photocatalytic activity in the decomposition of volatile organic substances under the action of ultraviolet radiation to harmless components (CO 2 , H 2 O) due to the presence of photocatalytically active titanium dioxide and high stability self-destruction during prolonged exposure due to the presence of an intermediate insulating layer of silicon dioxide.

Пример 9.Example 9

Аналогичен примеру 2 с тем исключением, что в качестве фотокатализатора в наружном слое используют диоксид титана, модифицированный платиной. Содержание платины варьируется в диапазоне 0,1-2 мас. %.Similar to example 2 with the exception that platinum modified titanium dioxide is used as the photocatalyst in the outer layer. The platinum content varies in the range of 0.1-2 wt. %

Образец помечают как wPt/20TiO2/SiO2-T/T, где w - расчетное содержание Pt, выраженное в % от массы сухого TiO2. Например, 1Pt/20TiO2/SiO2-T/T означает, что используют диоксид титана, на который нанесена Pt с расчетным содержанием 1 мас. %.The sample is labeled as wPt / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T, where w is the calculated Pt content, expressed in% by weight of dry TiO 2 . For example, 1Pt / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T means that titanium dioxide is used, on which Pt is applied with a calculated content of 1 wt. %

Пример 10.Example 10

Аналогичен примеру 2 с тем исключением, что в качестве фотокатализатора в наружном слое используют диоксид титана, модифицированный золотом. Содержание золота варьируется в диапазоне 0,1-2 мас. %.Similar to example 2, with the exception that titanium dioxide modified with gold is used as the photocatalyst in the outer layer. The gold content varies in the range of 0.1-2 wt. %

Образец помечают как wAu/20TiO2/SiO2-T/T, где w - расчетное содержание Pt, выраженное в % от массы сухого TiO2. Например, 1Au/20TiO2/SiO2-T/T означает, что используют диоксид титана, на который нанесено Au с расчетным содержанием 1 мас. %.The sample is labeled as wAu / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T, where w is the calculated Pt content, expressed in% by weight of dry TiO 2 . For example, 1Au / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T means that titanium dioxide is used, on which Au is deposited with a calculated content of 1 wt. %

Фотокаталитическую активность образцов под действием видимого света проводят в реакции окисления паров этанола. Основная трудность при определении активности фотокатализаторов, чувствительных к видимому свету, состоит в том, что скорость выделения конечного продукта CO2, как правило, мала. Поэтому в качестве меры фотокаталитической активности используют скорость образования промежуточного продукта ацетальдегида. Исследование кинетики паров этанола проводят в описанном выше статическом реакторе. В качестве источника излучения используют лабораторный осветитель спектральный (ЛОС-2) с Xe лампой ДКСЛ-1000 с использованием светофильтра ЖС-11 (λ>420 нм). Интенсивность излучения в интервале длин волн 420-800 нм составляет 90 мВт/см2 с максимумом на 436 нм. Температура проведения реакции равняется 25°C.The photocatalytic activity of the samples under the action of visible light is carried out in the oxidation reaction of ethanol vapor. The main difficulty in determining the activity of photocatalysts sensitive to visible light is that, as a rule, the rate of release of the final CO 2 product is low. Therefore, the rate of formation of the acetaldehyde intermediate is used as a measure of photocatalytic activity. The study of the kinetics of ethanol vapor is carried out in the static reactor described above. A spectral laboratory illuminator (LOS-2) with a DXL-1000 Xe lamp using a ZhS-11 light filter (λ> 420 nm) is used as a radiation source. The radiation intensity in the wavelength range of 420-800 nm is 90 mW / cm 2 with a maximum at 436 nm. The reaction temperature is 25 ° C.

Начальные скорости образования ацетальдегида при фотокаталитическом окислении паров этанола на образцах, полученных по примерам 9 и 10, под видимым светом представлены в таблице 3.The initial formation rate of acetaldehyde during the photocatalytic oxidation of ethanol vapor on the samples obtained in examples 9 and 10, under visible light are presented in table 3.

Таблица 3Table 3 Наименование образцаSample Name Способ нанесения металлаThe method of applying metal Начальная скорость образования ацетальдегида, млн д./минThe initial rate of formation of acetaldehyde, million d / min 20TiO2/SiO2-T/T20TiO 2 / SiO 2 -T / T 0,0390,039 0.1Pt/20TiO2/SiO2-T/T0.1Pt / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T высокотемпературный синтезhigh temperature synthesis 0,1030.103 0.3Pt/20TiO2/SiO2-T/T0.3Pt / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T 0,2290.229 0.5Pt/20TiO2/SiO2-T/T0.5Pt / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T 0,2210.221 1Pt/20TiO2/SiO2-T/T1Pt / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T 0,3950.395 2Pt/20TiO2/SiO2-T/T2Pt / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T 0,2770.277 1Pt/20TiO2/SiO2-T/T1Pt / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T химическое восстановление NaBH4 chemical reduction of NaBH 4 0,2640.264 0.1Au/20TiO2/SiO2-T/T0.1Au / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T химическое восстановление NaBH4 chemical reduction of NaBH 4 0,0550,055 0.3Au/20TiO2/SiO2-T/T0.3Au / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T 0,1700.170 0.5Au/20TiO2/SiO2-T/T0.5Au / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T 0,1960.196 1Au/20TiO2/SiO2-T/T1Au / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T 0,5000,500 2Au/20TiO2/SiO2-Т/Т2Au / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T 0,2170.217

Результаты испытаний показывают, что материал 20TiO2/SiO2-T/T, полученный с использованием немодифицированного диоксида титана, не способен окислить этанол под действием видимого света. С другой стороны использование диоксида титана с нанесенными частицами благородных металлов позволяет проявлять тканевому материалу фотокаталитическую активность под видимым светом. Из представленных в таблице 3 данных видно, что наиболее активным является материал 1 Au/20TiO2/SiO2-Т/Т. Менее активными являются материалы, содержащие платину. Оптимальным в каждой серии является содержание благородного металла, равное 1 мас. %. Степень превращения этанола в ацетальдегид на самом активном материале 1Au/20TiO2/SiO2-Т/Т составляет 22% за первые 180 мин фотопроцесса.The test results show that the material 20TiO 2 / SiO 2 -T / T obtained using unmodified titanium dioxide is not able to oxidize ethanol under the influence of visible light. On the other hand, the use of titanium dioxide with supported particles of noble metals allows photocatalytic activity to be manifested to the fabric material under visible light. From the data presented in table 3 it is seen that the most active is the material 1 Au / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T. Less active are materials containing platinum. The optimum in each series is the content of noble metal, equal to 1 wt. % The degree of conversion of ethanol to acetaldehyde on the most active material 1Au / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T is 22% in the first 180 minutes of the photoprocess.

Таким образом, использование фотокатализаторов, модифицированных благородными металлами, преимущественно золотом и платиной, позволяет получать тканевые материалы, фотокаталитически активные под видимым светом.Thus, the use of photocatalysts modified with noble metals, mainly gold and platinum, allows one to obtain fabric materials that are photocatalytically active under visible light.

Помимо летучих органических веществ одним из главных загрязнителей воздуха является CO. Кроме того, образование CO как нежелательного побочного продукта может происходить при фотокаталитическом окислении сложных органических молекул, например диметилметилфосфоната. Для определения фотокаталитической активности полученных материалов в окислении CO проводят сравнение кинетики накопления и расходования CO, образующегося при фотокаталитическом окислении паров диметилметилфосфоната в статическом реакторе, описанном выше.In addition to volatile organic substances, one of the main air pollutants is CO. In addition, the formation of CO as an undesirable by-product can occur during the photocatalytic oxidation of complex organic molecules, for example dimethyl methylphosphonate. To determine the photocatalytic activity of the obtained materials in CO oxidation, a comparison is made of the kinetics of CO accumulation and consumption generated during the photocatalytic oxidation of dimethylmethylphosphonate vapor in the static reactor described above.

Кинетические кривые для CO при фотокаталитическом окислении 0,4 мкл диметилметилфосфоната под действием ультрафиолетового излучения на тканевых материалах представлены на Фиг. 2.Kinetic curves for CO during photocatalytic oxidation of 0.4 μl of dimethylmethylphosphonate under the action of ultraviolet radiation on tissue materials are shown in FIG. 2.

Видно, что для материала 20TiO2/SiO2-T/T кинетическая кривая CO представляет кривую с насыщением, то есть не наблюдается расходования CO в ходе проведения процесса, что свидетельствует об отсутствии у данного образца фотокаталитической активности в окислении CO. В то время как для материалов, содержащих платину или золото, кинетические кривые проходят через максимум, то есть происходит постепенное расходование CO, образовавшегося при окислении диметилметилфосфоната, путем его окисления в углекислых газ. Наиболее активным является материал 1Pt/20TiO2/SiO2-T/T, полученный химическим восстановлением.It can be seen that for the 20TiO 2 / SiO 2 -T / T material, the kinetic curve of CO represents a saturation curve, i.e., CO consumption is not observed during the process, which indicates the absence of photocatalytic activity in CO oxidation in this sample. While for materials containing platinum or gold, the kinetic curves pass through a maximum, that is, the CO, formed during the oxidation of dimethylmethylphosphonate, is gradually consumed by its oxidation to carbon dioxide. The most active material is 1Pt / 20TiO 2 / SiO 2 -T / T, obtained by chemical reduction.

Таким образом, использование фотокатализаторов, модифицированных благородными металлами, преимущественно платиной и золотом, позволяет получать тканевые материалы фотокаталитически активные в отношении окисления CO.Thus, the use of photocatalysts modified with noble metals, mainly platinum and gold, makes it possible to obtain fabric materials photocatalytically active with respect to CO oxidation.

Claims (2)

1. Фотокаталитический сорбирующий тканевый материал для фотокаталитической и адсорбционной очистки газовых и водных сред, отличающийся тем, что представляет собой структурно-организованную систему, состоящую из текстильной тканевой основы, промежуточного изолирующего слоя из пористого диоксида кремния и наружного фотокаталитически активного слоя, при этом наружный фотокаталитически активный слой содержит фотокатализатор, чувствительный к ультрафиолетовому свету, состоящий из нанокристаллического диоксида титана анатазной модификации.1. Photocatalytic sorbent tissue material for photocatalytic and adsorption purification of gas and aqueous media, characterized in that it is a structurally organized system consisting of a textile fabric base, an intermediate insulating layer of porous silicon dioxide and an outer photocatalytically active layer, while the outer photocatalytic the active layer contains a photocatalyst sensitive to ultraviolet light, consisting of nanocrystalline anatase titanium dioxide katsii. 2. Фотокаталитический сорбирующий тканевый материал по п. 1, отличающийся тем, что наружный фотокаталитически активный слой содержит фотокатализатор, чувствительный к ультрафиолетовому и видимому свету, состоящий из нанокристаллического диоксида титана анатазной модификации, модифицированного частицами благородных металлов, таких как золото или платина или их смеси, в количестве 0,1-2% от массы диоксида титана. 2. The photocatalytic sorbent tissue material according to claim 1, characterized in that the outer photocatalytically active layer contains a photocatalyst sensitive to ultraviolet and visible light, consisting of anatase-modified nanocrystalline titanium dioxide modified with noble metal particles such as gold or platinum or mixtures thereof , in an amount of 0.1-2% by weight of titanium dioxide.
RU2014143564/05A 2014-10-28 2014-10-28 Photocatalytic sorbing fabric material RU2562485C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014143564/05A RU2562485C1 (en) 2014-10-28 2014-10-28 Photocatalytic sorbing fabric material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014143564/05A RU2562485C1 (en) 2014-10-28 2014-10-28 Photocatalytic sorbing fabric material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2562485C1 true RU2562485C1 (en) 2015-09-10

Family

ID=54073677

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014143564/05A RU2562485C1 (en) 2014-10-28 2014-10-28 Photocatalytic sorbing fabric material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2562485C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114235903A (en) * 2020-09-09 2022-03-25 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Gas sensor and manufacturing method thereof

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2375112C1 (en) * 2008-12-18 2009-12-10 Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) Photocatalyst-adsorbent (versions)
RU2465046C1 (en) * 2011-08-01 2012-10-27 Учреждение Российской академии наук Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН Composite adsorption-catalytic material for photocatalytic oxidation
RU2478413C1 (en) * 2011-08-01 2013-04-10 Учреждение Российской академии наук Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН Composite photocatalyst for water or air treatment
US8420046B1 (en) * 2012-02-29 2013-04-16 Korea Basic Science Institute Method of preparing high crystalline nanoporous titanium dioxide photocatalyst
RU2482912C1 (en) * 2011-09-30 2013-05-27 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Method of producing filtering-sorbing material with photo catalytic properties

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2375112C1 (en) * 2008-12-18 2009-12-10 Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) Photocatalyst-adsorbent (versions)
RU2465046C1 (en) * 2011-08-01 2012-10-27 Учреждение Российской академии наук Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН Composite adsorption-catalytic material for photocatalytic oxidation
RU2478413C1 (en) * 2011-08-01 2013-04-10 Учреждение Российской академии наук Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН Composite photocatalyst for water or air treatment
RU2482912C1 (en) * 2011-09-30 2013-05-27 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Method of producing filtering-sorbing material with photo catalytic properties
US8420046B1 (en) * 2012-02-29 2013-04-16 Korea Basic Science Institute Method of preparing high crystalline nanoporous titanium dioxide photocatalyst

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114235903A (en) * 2020-09-09 2022-03-25 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Gas sensor and manufacturing method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Talaiekhozani et al. Recent advances in photocatalytic removal of organic and inorganic pollutants in air
Sacco et al. ZnO supported on zeolite pellets as efficient catalytic system for the removal of caffeine by adsorption and photocatalysis
KR100808340B1 (en) Method and apparatus for purifying air using a photocatalyst
US20070149397A1 (en) Photocatalytic composite material, method for producing the same and application thereof
Kuwahara et al. Hydrophobic modification of a mesoporous silica surface using a fluorine-containing silylation agent and its application as an advantageous host material for the TiO2 photocatalyst
Bui et al. Photocatalytic materials for indoor air purification systems: An updated mini-review
JP2012501842A (en) Photocatalyst derived from structured three-dimensional carbon or carbon foam
Paz Composite titanium dioxide photocatalysts and the" adsorb & shuttle" approach: a review
Wu et al. Vacuum ultraviolet (VUV)-based photocatalytic oxidation for toluene degradation over pure CeO2
Wu et al. Toluene degradation over Mn-TiO2/CeO2 composite catalyst under vacuum ultraviolet (VUV) irradiation
JP2006528056A (en) Air purification system containing gold / titanium dioxide photocatalyst
JP2009078211A (en) Photocatalyst
JP2007513766A (en) Bifunctional layered photocatalyst / thermal catalyst for improving indoor air quality
Uddin et al. Preparation of nanostructured TiO 2-based photocatalyst by controlling the calcining temperature and pH
Pham et al. Advanced removal of toluene in aerosol by adsorption and photocatalytic degradation of silver-doped TiO 2/PU under visible light irradiation
WO2012113543A1 (en) Optimized layer-by-layer assemblies for indoor photo-catalytical pollutants removal
US11224860B2 (en) Nanofiber surfaces
Channei et al. Adsorption and photocatalytic processes of mesoporous SiO2-coated monoclinic BiVO4
Tao et al. Development of a TiO2/AC composite photocatalyst by dry impregnation for the treatment of methanol in humid airstreams
Sheraz et al. Electrospinning synthesis of CuBTC/TiO2/PS composite nanofiber on HEPA filter with self-cleaning property for indoor air purification
RU2562485C1 (en) Photocatalytic sorbing fabric material
US8617478B2 (en) Photocatalytic device with mixed photocatalyst/silica structure
RU2465046C1 (en) Composite adsorption-catalytic material for photocatalytic oxidation
RU2482912C1 (en) Method of producing filtering-sorbing material with photo catalytic properties
RU2559506C1 (en) Method of production of photocatalytic sorbing fabric material

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210723

Effective date: 20210723