一種空氣凈化光催化劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空氣凈化材料技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種主要用于空氣中甲醛降解及除菌的銳鈦礦型硫鑭共摻雜納米二氧化鈦光催化劑及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人們?cè)絹?lái)越注重家居環(huán)境裝修，而室內(nèi)的各種裝飾裝修材料及家具中由于使用了樹(shù)脂及粘合劑等，其中含有的有害物質(zhì)釋放后會(huì)造成室內(nèi)空氣污染?？諝庵械奈廴疚镏饕兹?、甲苯和二甲苯等有機(jī)揮發(fā)物，其中，以甲醛對(duì)人體健康造成的影響最大。解決室內(nèi)環(huán)境污染成為當(dāng)前人們關(guān)注的熱點(diǎn)，光催化劑就是一種能減少室內(nèi)空氣污染的空氣凈化材料。普通的納米T12作為一種光催化劑，其禁帶寬度為3.2eV，只能在波長(zhǎng)不大于387.5nm的紫外光的激發(fā)下才具有催化活性，太陽(yáng)能利用率低。因此，如何將納米T12的吸收波長(zhǎng)拓展到可見(jiàn)光區(qū)，提高其催化效率及光催化活性已成為目前研宄的熱點(diǎn)。
[0003]大量研宄表明，對(duì)T12進(jìn)行離子摻雜可降低其禁帶寬度和電子-空穴的復(fù)合，提高催化效率，而共摻雜改性則可發(fā)揮各種離子的協(xié)同優(yōu)勢(shì)，促使其光催化效率得到進(jìn)一步的提升，拓展吸收光譜，提高其在可見(jiàn)光下的催化活性。因此，摻雜二氧化鈦在空氣凈化材料技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]攀枝花鋼鐵研宄院的吳健春等制備了釩等單一金屬離子摻雜，以及V-Fe、V-W金屬離子復(fù)合摻雜的T12光觸媒(鋼鐵釩鈦，第29卷，第4期，2008年10月)，釩摻雜改性后T12的甲醛降解率可達(dá)到80%，5%Fe+0.3%V復(fù)合摻雜T1 2具有較好的光催化效果，其甲醛降解率可達(dá)85%以上。北京化工大學(xué)教育部超重力工程研宄中心的楊慶等采用T12多孔性薄膜作為光催化劑(環(huán)境科學(xué)，第26卷，第4期，2005年7月)，其對(duì)甲醛的降解率達(dá)80%以上。上述報(bào)導(dǎo)均對(duì)納米T12的對(duì)甲醛的光催化活性進(jìn)行了研宄，但是采用稀土元素和過(guò)渡金屬共摻雜改性納米T12，對(duì)甲醛的降解性能及空氣除菌方面的研宄還未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題為:通過(guò)溶膠-凝膠法制備一種粉體粒徑均勻、分散性好的銳鈦礦型硫、鑭共摻雜納米二氧化鈦光催化劑，其能夠在可見(jiàn)光激發(fā)下，對(duì)空氣及環(huán)境中的甲醛等有害氣體進(jìn)行良好的催化降解和凈化，同時(shí)還具有良好的抗菌、除菌性。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題，所采用的技術(shù)方案是:一種空氣凈化光催化劑，該催化劑以銳鈦礦型二氧化鈦為基體，以硫、鑭為摻雜成分，其中，硫、鑭與二氧化鈦的摩爾比為(0.1-2):(0.001-0.015):1，且該催化劑以粉體形式存在。
[0007]一種空氣凈化光催化劑的制備方法，制備步驟如下:
步驟一:按照鈦元素、硫元素和鑭元素的摩爾比為1:(0.1-2):(0.001-0.015)的比例分別取鈦源、硫源和鑭源，備用；將取得的鈦源加入無(wú)水乙醇中，之后，向得到的混合溶液中加入分散劑和抑制劑，其中，鈦源、分散劑、抑制劑與無(wú)水乙醇的體積比為(17-20 ):(2.5-3):(4-5):40，充分混合后，得到混合溶液A，備用；
步驟二:將步驟一取得的鑭源加入蒸餾水中，制得鑭離子濃度為0.006-0.09 mo I.L—1的溶液，之后，向溶液中加入無(wú)水乙醇，所加無(wú)水乙醇與蒸餾水的體積比為4:1，充分混合后，采用冰醋酸調(diào)節(jié)所得混合溶液的PH值，得到PH為3~5混合溶液B，備用；
步驟三:在攪拌條件下，將步驟一制得的混合溶液A置于10~80°C的恒溫水浴鍋中進(jìn)行加熱lOmin，然后，將步驟二制得的混合溶液B以1_2 mL ^mirT1的滴加速度滴入混合溶液A中，充分反應(yīng)后，得到透明膠體；
步驟四:在攪拌條件下，向步驟三得到的透明膠體中加入步驟一取得的硫源，充分反應(yīng)后，得到黃色凝膠，之后，將所得的黃色凝膠置于溫度為60~90°C的恒溫干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥10~36h ；
步驟五:將步驟四干燥后所得的物料置于馬弗爐中，在300~550°C的溫度下煅燒2~4h，即得到催化劑粉體。
[0008]所述的鈦源為鈦酸四丁酯或鈦酸異丙酯中的任意一種。
[0009]所述的硫源為硫脲、硫代硫酸鈉、硫化銨或硫代乙酰胺中的任意一種。
[0010]所述的鑭源為硫酸鑭或硝酸鑭中的任意一種。
[0011 ] 在步驟一中，所述的分散劑為聚乙二醇200、聚乙二醇300、聚乙二醇400、吐溫20、吐溫80或聚氧乙烯十六醚中的任意；所述的抑制劑為三乙醇胺、三乙胺、二乙胺、二亞乙基三胺或三乙烯四胺中的任意一種。
[0012]所述步驟三中恒溫水浴鍋的加熱溫度為50~80°C。
[0013]所述步驟四中恒溫干燥箱內(nèi)的干燥溫度為60~80°C，干燥時(shí)間為16~24 h。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
1、本發(fā)明是通過(guò)溶膠-凝膠法制備的銳鈦礦型硫鑭共摻雜納米二氧化鈦光催化劑，方法較于水熱法來(lái)說(shuō)，操作條件溫和且容易控制，所采用的設(shè)備常見(jiàn)，原料來(lái)源豐富，且產(chǎn)量較高，可用于大規(guī)模生產(chǎn)。制備得到的光催化劑粉體具有顆粒尺寸小、粒徑均勻、且顆粒大小可控，分散性好，比表面積大，品相純度高，摻雜組分分布均勻，可見(jiàn)光響應(yīng)、光催化性能好等良好的性能。在可見(jiàn)光照射下，對(duì)空氣環(huán)境中的甲醛等有害氣體的催化降解凈化率可達(dá)80%以上，對(duì)環(huán)境中金黃色葡萄球菌的滅菌率達(dá)93%以上。
[0015]2、本發(fā)明的溶膠-凝膠法中采用抑制劑與分散劑、冰醋酸結(jié)合的方式能減慢Ti4+的水解速度，穩(wěn)定成膠時(shí)間，形成透明溶膠，使各摻雜組分充分的混合，同時(shí)減少納米粒子的團(tuán)聚，從而制備出粒徑分布窄的納米二氧化鈦。
[0016]3、本發(fā)明的催化劑具體采用銳鈦礦型二氧化鈦?zhàn)鳛榛w，銳鈦礦型二氧化鈦較金紅石型二氧化鈦來(lái)說(shuō)，兩者雖屬同一晶系，但金紅石型的原子排列更致密，而銳鈦礦型的結(jié)構(gòu)不如其穩(wěn)定，銳鈦礦的八面體結(jié)構(gòu)畸變最大，八面體對(duì)稱性更高，密度更小，因此，銳鈦礦型納米二氧化鈦和氧氣接觸時(shí)更容易得到電子而使導(dǎo)電電子和價(jià)帶空穴有效分離，從而具有更優(yōu)異的光催化活性。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明所制備的空氣凈化光催化劑的透射電鏡圖；
圖2為本發(fā)明所制備的光催化劑的XRD譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，所述的實(shí)驗(yàn)過(guò)程若未加指明均是在常溫常壓條件下進(jìn)行。
[0019]一種空氣凈化光催化劑，該催化劑以銳鈦礦型二氧化鈦為基體，以硫、鑭為摻雜成分，其中，硫、鑭與二氧化鈦的摩爾比為(0.1-2): (0.001-0.015): 1，且該催化劑以粉體形式存在。
[0020]一種空氣凈化光催化劑的制備方法，包括以下步驟:
步驟一:按照鈦元素、硫元素和鑭元素的摩爾比為1: (0.1-2): (0.001-0.015)的比例分別取鈦源、硫源和鑭源，并將取得的鈦源加入無(wú)水乙醇中，之后，向得到的混合溶液中加入分散劑和抑制劑，其中，鈦源、分散劑和抑制劑與無(wú)水乙醇的體積比為(17-20):(2.5-3):(4-5):40，充分混合后，得到混合溶液A，備用；
所述的鈦源為鈦酸四丁酯或鈦酸異丙酯中的任意一種。所述的硫源為硫脲、硫代硫酸鈉、硫化銨或硫代乙酰胺中的任意一種。所述的鑭源為硫酸鑭或硝酸鑭中的任意一種；所述的分散劑為聚乙二醇200、聚乙二醇300、聚乙二醇400、吐溫20、吐溫80或聚氧乙烯十六醚中的任意；所述的抑制劑為三乙醇胺、三乙胺、二乙胺、二亞乙基三胺或三乙烯四胺中的任意一種；
步驟二:將步驟一取得的鑭源加入蒸餾水中，制得鑭離子濃度為0.006-0.09mol.171的溶液，之后，向溶液中加入無(wú)水乙醇，所加無(wú)水乙醇與蒸餾水的體積比為4:1，充分混合后，采用冰醋酸調(diào)節(jié)所得混合溶液的PH值，得到PH為3~5混合溶液B，備用；
步驟三:在攪拌條件下，將步驟一制得的混合溶液A置于10~80°C的恒溫水浴鍋中進(jìn)行加熱lOmin，然后，將步驟二制得的混合溶液B以1_2 mL ^mirT1的滴加速度滴入混合溶液A中，充分反應(yīng)后，得到透明膠體；
步驟四:在攪拌條件下，向步驟三得到的透明膠體中加入步驟一取得的硫源，此時(shí)，澄清透明的溶膠變成了黃色凝膠，同時(shí)有放熱現(xiàn)象，之后，將所得的黃色凝膠置于溫度為60~90°C的恒溫干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥10~36h ；
步驟五:將步驟四干燥后所得的物料置于馬弗爐中，在300~550°C的溫度下煅燒2~4h，即得到最終產(chǎn)品一催化劑粉體。
[0021]本發(fā)明的摻雜元素中所采用的稀土元素鑭具有3個(gè)價(jià)電子，4f電子層為全空穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，自身體積較大，其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，可作為較理想的摻雜物在晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、光吸收性能等方面對(duì)T12光催化劑進(jìn)行改性。非金屬元素S的摻雜可在T1 2中引入晶格氧空缺，或取代部分氧空位，使T12的禁帶窄化，從而拓寬T1 2對(duì)光的響應(yīng)范圍，提高可見(jiàn)光活性。將兩者進(jìn)行共摻雜設(shè)計(jì)，使得打02晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、光吸收性能等方面發(fā)生改變，拓寬T12對(duì)光的響應(yīng)范圍。另外，采用抑制劑、分散劑和冰醋酸能減慢Ti 4+的水解速度，使各摻雜組分充分的混合，同時(shí)減少納米粒子的團(tuán)聚，從而制備出粒徑分布窄的納米二氧化鈦。通過(guò)改變?nèi)芤篜H，可控制所制備納米材料的粒徑，提高了材料的甲醛降解性能、抗菌性以及在空氣凈化材料技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。
[0022]本發(fā)明所制備得到的銳鈦礦型硫鑭共摻雜納米二氧化鈦光催化劑粉體粒徑均勻，顆粒大小可控，而且分散性好。并對(duì)空氣環(huán)境中的甲醛等有害氣體具有良好的催化降解凈化效果，同時(shí)具有良好的抗菌性。
[0023]實(shí)施例1
①量取鈦酸四丁酯20mL、無(wú)水乙醇40mL、抑制劑三乙胺3ml，及4ml分散劑聚乙二醇400，均勻混合制得溶液A;
②量取無(wú)水乙醇40mL、蒸餾水1mL(含作為摻雜劑的硝酸鑭0.2g)、冰醋酸5ml攪拌下均勻混合制得溶液B;
③將配制好的溶液A放在60°C恒溫水浴中磁力攪拌10min ；
④將B液緩慢滴加入攪拌下的A液中，滴定完成時(shí)間為30min，得到透明膠體。
[0024]⑤將上述制得的1102溶膠倒入250 mL的燒杯中，磁攪拌下加入硫脲4.56g。此時(shí)，澄清透明的溶膠變成了黃色凝膠，同時(shí)有放熱現(xiàn)象，反應(yīng)一段時(shí)間后放入干燥箱中烘干16h0
[0025]⑥放入馬弗爐中在350°C下煅燒2 h，即得硫鑭共摻雜納米二氧化鈦。
[0026]將本實(shí)施例制得的粉體光催化劑均勻摻雜于常規(guī)市售內(nèi)墻涂料中，再將該涂料涂刷于150mmX 75mm，厚度為6_8mm的水泥樣板上，并將水泥樣板放入一個(gè)300mm X 300mm X 300mm大小的自制密閉