一種高效白光催化的室內空氣凈化劑及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種高效白光催化的室內空氣凈化劑及其制備方法，所述的白光光催化劑是指表面氫化的金屬和非金屬共摻雜的復合二氧化鈦納米顆粒。所述的復合二氧化鈦納米顆粒的制備方法為水熱法和表面氫化兩步法合成。本發明專利技術通過將離子摻雜和表面氫化兩種改性手段相結合，發揮兩者協同作用，對二氧化鈦的禁帶寬度進行調控，使光催化劑在紫外光區和可見光區均具備較強的光催化活性，在日光燈照射下對室內空氣具有顯著的凈化的作用。本方法所制備的空氣凈化劑具有成本低、工藝可控性強和易于工業化生產等特點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于納米光催化和空氣凈化研究領域，具體涉及二氧化鈦納米復合光催化劑的制備方法。
技術介紹
人的一生70%~90%是在室內度過的，但隨著人們生活水平的提高和室內裝飾材料的多樣化，室內空氣污染也隨之愈演愈烈。室內環境對健康的影響主要分為兩大類型：一種稱之為不良建筑綜合癥（簡稱SBS），另一種稱之為不良建筑綜合癥（簡稱BRI）。不良建筑綜合癥（SBS）指的是在建筑物內生活和工作時會出現的癥狀。主要癥狀表現為：注意力不集中，抑郁，嗜睡，疲勞，頭痛，煩惱氣味，易感冒，胸悶，黏膜、皮膚、眼睛刺激等。一旦離開這種環境，癥狀會自然減輕或消失。建筑相關疾病（BRI）指的是由于建筑選址、設計、選材不當，造成室內空氣質量不良引起的疾病，主要有呼吸道感染，心血管疾病，軍團病及各種癌癥（如肺癌）。離開了引起建筑相關疾病的環境，癥狀也不會消失。無論是不良建筑綜合癥，還是建筑相關疾病，都可通過改善居住環境，提高室內空氣質量，從而降低這些癥狀的發生率。世界衛生組織（WHO）發布的153號室內污染氣體之一甲醛的“甲醛致癌”公報指出，甲醛不但能導致鼻腔癌和鼻竇癌，并且有強烈但尚不充分的證明表明還能引起白血病。室內污染氣體的來源于室內裝修家具和材料，如膠合板、壁紙、油漆、涂料、粘合劑等，在其中殘留或分解出來的有害氣體會逐漸向周圍環境中釋放，最長釋放時間可達十幾年。如何有效消除室內空氣污染，如何給居住者提供一個舒適、安全的居住環境，已經成為亟待解決的重要問題。當前中國市場上很多凈化甲醛的產品，都是采用活性炭吸附法、胺類衍生物或多酚類衍生物的化學去除法、半導體攜帶相關材料光催化降解法等。與吸附法、化學去除法等相比，光催化降解法具有持續功效，降解污染氣體后不會產生二次污染，并且對環境和人體無危害，光催化降解法的室內污染氣體凈化劑開發受到越來越多的關注。但是目前室內光催化的實際效果還十分有限，離人們的實際要求還有較大差距。本專利技術通過將離子摻雜和表面氫化兩種改性手段相結合，發揮兩者協同作用，有效調控二氧化鈦的禁帶寬度，使納米復合光催化劑在紫外光區和可見光區均具備較強的光催化活性，在日光燈的照射下即可對室內空氣起到明顯的凈化作用，具有廣闊的應用前景。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種二氧化鈦納米復合光催化劑的制備方法，高效解決室內空氣污染問題。結合水熱法和表面氫化法，使納米復合光催化劑在紫外光區和可見光區均具有較強的光催化活性，對室內空氣在日光燈照射下的凈化效果顯著。進一步的，上述的二氧化鈦納米復合白光室內空氣凈化的制備方法，主要步驟如下：a、制備二氧化鈦溶膠體系，向其中分別加入一定量的Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、W或Mo等的可溶性鹽，和一定量的尿素、硫脲或三聚氰胺等含非金屬的有機化合物，在加熱下攪拌3~5h，得到混合體系A；b、將體系A小心移入不銹鋼反應釜中，通過水熱法制備金屬及非金屬共摻雜的二氧化鈦納米顆粒，水熱溫度為150~180?C，水熱時間為8~24h，試驗結束后將產物經過高速離心分離，分別水洗和醇洗3次，在電熱鼓風干燥箱中80?C下干燥4~6h后得到體系B；c、將上述光催化劑原料，即體系B平鋪在氧化鋁瓷舟中，置入管式氣氛爐中，抽真空完畢后，充入一定量的氫氣，在不同條件下進行表面氫化，其中溫度為200~600 ?C，時間為30min~24h，得到納米復合白光催化的空氣凈化劑。本專利技術所述二氧化鈦溶膠可以由鈦鹽或有機含鈦化合物制備，或者通過商業納米鈦白粉或事先制備的氧化鈦納米顆粒、納米線、納米帶和納米管等，在一定配比的水性溶液中超聲制備。本專利技術所述金屬離子摻雜可以是所述金屬離子中的一種或一種以上，一般不超過3種。本專利技術所述的非金屬離子摻雜可以通過尿素、硫脲和三聚氰胺中的任意一種來實現。本專利技術中混合體系A的攪拌方式可以是機械攪拌、磁力攪拌、超聲混合方式中的任意一種，或超聲與前兩種的結合。本專利技術相比現有常見納米復合光催化劑的方法，具有如下有益效果：（1）工藝可控性強。氧化鈦溶膠制備工藝簡單，后續的水熱反應金屬離子與非金屬離子共摻雜中間過程少，摻雜成分和含量調控方便，摻雜效果好，將來可以在大型水熱釜中進行，操作方便，適合工業化的推廣生產。（2）離子摻雜與表面氫化兩種改性方法相結合，并且離子摻雜為金屬離子和非金屬離子的摻雜，這種改性策略還未見明顯報道，具有方法上的創新性。（3）所制備的納米復合白光光催化劑光響應范圍寬，光催化活性強，粉體相貌與原氧化鈦溶膠具有明顯的繼承性，化學穩定性高等。具體實施方式本專利技術以下將結合實施例作進一步描述：實施例1：將5g市售納米鈦白（二氧化鈦），粒徑15~50nm，加入70ml水和無水乙醇（體積比2:5）混合溶液中超聲條件下攪拌1h制得氧化鈦溶膠，然后分別加入0.5ml氨水、0.4g九水硝酸鐵、0.2g尿素，繼續超聲攪拌6h得到混合物A；然后將A倒入100ml不銹鋼水熱釜中，在恒溫干燥箱中以3℃/min的速度升溫至180℃保溫12h，然后將產物離心分離，分別用去離子水洗滌三次、無水乙醇洗滌三次，將所得產物在干燥箱中80℃下干燥5h，制得離子共摻雜的氧化鈦前驅體B；最后將B在氫氣氣氛爐中500℃下氫化3h，得到復合光催化劑。以500W氙燈為模擬太陽光光源，用太陽能測量儀將強度調至AM1.5，采用外照法對亞甲基藍按照重量比0.1%進行光催化降解試驗，2h的降解率達到98.2%，而同等條件下P25的降解率的則只有71.5%。實施例2：將課題組制備的5g二氧化鈦納米線，直徑約10nm，加入70ml水和無水乙醇（體積比2:5）混合溶液中超聲條件下攪拌1h制得氧化鈦溶膠，然后分別加入0.5ml氨水、0.4g九水硝酸鐵、0.2g尿素，繼續超聲攪拌6h得到混合物A；然后將A倒入100ml不銹鋼水熱釜中，在恒溫干燥箱中以3℃/min的速度升溫至180℃保溫12h，然后將產物離心分離，分別用去離子水洗滌三次、無水乙醇洗滌三次，將所得產物在干燥箱中80℃下干燥5h，制得離子共摻雜的氧化鈦前驅體B；最后將B在氫氣氣氛爐中500℃下氫化3h，得到復合二氧化鈦納米線光催化劑。以500W氙燈為模擬太陽光光源，用太陽能測量儀將強度調至AM1.5，采用外照法對亞甲基藍按照重量比0.1%進行光催化降解試驗，2h的降解率達到99.4%，明顯高于實施例1中所制備的復合納米顆粒的98.2%的降解率。原因可能歸因于一維氧化鈦具有高的載流子傳輸效率等。實施例3：將課題組制備的5g二氧化鈦納米線，直徑約10nm，加入70ml水和無水乙醇（體積比2:5）混合溶液中超聲條件下攪拌1h制得氧化鈦溶膠，然后分別加入0.5ml氨水、0.2g九水硝酸鐵、0.15g六水硝酸鎳和0.3g硫脲，繼續超聲攪拌5h得到混合物A；然后將A倒入100ml不銹鋼水熱釜中，在恒溫干燥箱中以3℃/min的速度升溫至180℃保溫12h，然后將產物離心分離，分別用去離子水洗滌三次、無水乙醇洗滌三次，將所得產物在干燥箱中80℃下干燥5h，制得離子共摻雜的氧化鈦前驅體B；最后將B在氫氣氣氛爐中500℃下氫化3h，得到復合二氧化鈦納米線光催化劑。以500W氙燈為模擬太陽光光源，用太陽能測量儀將強度調至AM1.5，采用外照法對亞甲基藍按照重量比0.1%進行光催化降解試驗，2h的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高效白光催化的室內空氣凈化劑及其制備方法，其特征在于：水熱法和氫化法相結合的兩步法進行二氧化鈦納米復合光催化劑的制備，主要應用于室內空氣的凈化；主要步驟如下：a、制備二氧化鈦溶膠，加入金屬離子及含非金屬的有機化合物，混合制備體系A；b、將體系A移入不銹鋼反應釜，通過水熱法制備金屬及非金屬共摻雜的二氧化鈦納米顆粒，并將產物經過水洗和醇洗，干燥后得到體系B；c、將上述光催化劑原料，即體系B，置入氫氣氣氛爐里在不同條件下進行表面氫化即可得到納米復合白光催化空氣凈化劑。

【技術特征摘要】
1.一種高效白光催化的室內空氣凈化劑及其制備方法，其特征在于：水熱法和氫化法相結合的兩步法進行二氧化鈦納米復合光催化劑的制備，主要應用于室內空氣的凈化；主要步驟如下：a、制備二氧化鈦溶膠，加入金屬離子及含非金屬的有機化合物，混合制備體系A；b、將體系A移入不銹鋼反應釜，通過水熱法制備金屬及非金屬共摻雜的二氧化鈦納米顆粒，并將產物經過水洗和醇洗，干燥后得到體系B；c、將上述光催化劑原料，即體系B，置入氫氣氣氛爐里在不同條件下進行表面氫化即可得到納米復合白光催化空氣凈化劑。2.根據權利要求1所述的二氧化鈦納米復合空氣凈化劑的制備方法，其特征在于：首先制備二氧化鈦溶膠，然后加入金屬可溶性鹽，其中金屬種類包括Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、W和Mo等，可以...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉世凱，張鎮峰，劉鑫鑫，李鄧陽，王齊，劉鑫，
申請(專利權)人：河南工業大學，
類型：發明
國別省市：河南;41