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CN113893884A - 高效环保的可见光光催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

高效环保的可见光光催化剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于可见光光催化剂技术领域，具体涉及一种高效环保的可见光光催化剂及其制备方法和应用。所述催化剂为一种异质结胶体溶液，所述异质结胶体溶液中包括二氧化钛和辅助金属氧化物，所述辅助金属氧化物选自氧化锌、氧化铜、氧化锰、三氧化二铁和三氧化二铋中的一种或两种。所述制备方法包括异质结材料制备和异质结胶体溶液的配制。所述催化剂应用于光降解甲醛分子中。本发明提供的技术方案利用多种金属氧化物复合制备出一种异质结材料，具有原料便宜环保，对可见光吸收范围宽和光吸收效率较高及制备简单易于生产，储存及施工方便等优点。

Description

高效环保的可见光光催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种高效环保的可见光光催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
甲醛是一种无色，有刺激性气味，刺眼，刺鼻，容易挥发的气体。也是胶粘剂和材料中常见的一种化工原材料，并应用于居室内材料、汽车内饰材料胶粘剂、涂料和纤维制造中。1981年美国国家职业安全与卫生研究所将甲醛作为可疑致癌物，1995年甲醛被国际癌症机构(IARC)确定为可疑致癌物，2004年WHO公告，甲醛确定为致癌物，甲醛能够使人患白血病的机率增高，特别是婴幼儿、老年人。如果长期呆在甲醛超标的环境里，人的免疫力会自然的下降，长期接触甲醛人员的记忆力、灵敏度、平衡功能、协调功能都发生了不同程度的降低，鼻炎检出率增加。
目前的甲醛处理剂大多采用的是光催化材料。可见光光催化剂是一种以纳米级二氧化钛为代表的具有光催化功能的光半导体材料的总称，其在紫外光及可见光的作用下，产生出氧化能力极强的自由氢氧基和活性氧，具有很强的光氧化还原功能，产生强烈催化降解功能，可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，有效地降解空气中有毒有害气体，杀灭多种细菌，并能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理。同时还具备除甲醛、除臭、抗污、净化空气等功能。在医疗设备、水土治理、空气净化等领域有重要的应用价值。
第一代可见光光催化剂主要通过中高温对二氧化钛进行晶体生长、控制晶粒尺寸，制备具有锐钛矿相和金红石相结构的二氧化钛纳米材料；第二代可见光光催化剂框架则是通过对二氧化钛掺杂Pt/Ag/Au等贵金属的手段来提高光催化特性及效率。但这两种方法无法兼顾光催化效率和成本。第二代可见光光催化剂技术，虽然与第一代可见光光催化剂相比，光催化降解效率显著提升，但由于其制备工艺复杂，成本也相应很高，不适用于普通家庭和大规划推广。
因此，开发具有高降解效率、低应用成本的可见光光催化剂，对于提升空气质量、解决室内污染、提高生活质量、改善生存环境具有极其重要的意义。
发明内容
本发明提供了一种高效环保的可见光光催化剂及其制备方法和应用，用以解决目前可见光光催化剂制备工艺复杂，成本高的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：所述高效环保的可见光光催化剂，其为一种异质结胶体溶液，所述异质结胶体溶液中包括二氧化钛和辅助金属氧化物，所述辅助金属氧化物选自氧化锌、氧化铜、氧化锰、三氧化二铁和三氧化二铋中的一种或两种。
可选地，所述辅助金属氧化物为氧化锌和氧化锰。
利用多分子化合物形成异质结结构，降低单一氧化物的禁带宽度，从而提高光催化在可见光范围的催化作用。
可选地，所述高效环保的可见光光催化剂还包括表面活性剂、分散剂和去离子水。
本发明还提供了上述高效环保的可见光光催化剂的制备方法，其包括如下步骤：。
S1:异质结材料制备：将二氧化钛、辅助金属氧化物、第一表面活性剂、第一分散剂加入到去离子水中，球磨处理5-12h，然后过滤烘干，焙烧制得异质结材料；
S2:异质结胶体溶液的配制：将S1中制备的异质结材料、第二表面活性剂、第二分散剂和去离子水混合后超声振荡0.3-1h，再加热搅拌1-5h，制得异质结胶体溶液，即为所述高效环保的可见光光催化剂。
可选地，所述第一表面活性剂或第二表面活性剂选自乙二醇、丙二醇、十二烷基苯磺酸钠和十六烷基苯磺酸钠中的一种或一种以上。
可选地，所述第一表面活性剂为乙二醇，第二表面活性剂为十六烷基苯磺酸钠。
可选地，所述第一分散剂或第二分散剂选自聚乙二醇、聚丙二醇、木质素磺酸钠和天然纤维微纤中的一种或一种以上。
可选地，所述第一分散剂为聚乙二醇和木质素磺酸钠，第二分散剂为天然纤维微纤。
可选地，所述S1中，各组分按重量份配比如下：
Figure BDA0003321787510000031
可选地，所述S2中，各组分按重量份配比如下：
Figure BDA0003321787510000032
可选地，所述S1中，球磨处理中球磨转速为300～600r/min。
可选地，所述S1中，焙烧温度为300～500℃，焙烧时间为2～10h。
可选地，所述S2中，加热搅拌的温度为50～80℃。
本发明还提供了上述高效环保的可见光光催化剂在光降解甲醛分子中的应用。
本发明提供的技术方案利用多种金属氧化物复合制备出一种异质结材料，其与现有技术相比具有如下优势：
(1)所用原材料价格较便宜、绿色环保，适合于再室内和汽车内密闭空间使用，不会带来对人体的危害和环境的二次污染；
(2)具有对可见光吸收范围宽和光吸收效率较高特性，有利于室内和汽车内可见光照射环境下使用，并有较好的持久性，对缓慢释放的甲醛分子有持续降解效能；
(3)具有制备过程简单、易工业化生产，制备的胶体溶液易于储存和施工，且对甲醛具有优异的光降解性能。
具体实施方式
为了便于理解，下面结合实施例阐述所述一种高效环保的可见光光催化剂及其制备方法和应用，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
具体实施方式中所用原料，试剂除特殊说明外均为市售商品，使用的设备或工艺过程如除特殊说明外均为常用技术。
实施例1
S1称取的200g二氧化钛和200g二氧化锌、2g乙二醇和5g聚乙二醇、5g木质素磺酸钠，依次加入到588g去离子水中，在常温下，在450r/h转速下，球磨处理8h，制得异质结前驱体材料，将异质结前驱体材料过滤烘干，400℃焙烧5h制得异质结材料；
S2将20g异质结材料、2g十六烷基苯磺酸钠，2g天然纤维微纤，加入到456g去离子水中，进行超声振荡0.5h，再在60℃加热搅拌2h，制得分散较好的异质结胶体溶液，也就是所述高效环保的可见光光催化剂。
实施例2：
S1称取的200g二氧化钛和200g氧化铜、3g乙二醇和5g聚乙二醇、3g木质素磺酸钠，依次加入到584g去离子水中，在常温下，在450r/h转速下，球磨处理8h，制得异质结前驱体材料，将异质结前驱体材料过滤烘干，400℃焙烧5h制得异质结材料；
S2将20g异质结材料、2g十六烷基苯磺酸钠，2g天然纤维微纤，加入到456g去离子水中，进行超声振荡0.5h，再在60℃加热搅拌2h，制得分散较好的异质结胶体溶液，也就是所述高效环保的可见光光催化剂。
实施例3：
S1称取的200g二氧化钛、100g二氧化锌和100g氧化锰、2g乙二醇和5g聚乙二醇、5g木质素磺酸钠，依次加入到588g去离子水中，在常温下，在450r/h转速下，球磨处理8h，制得异质结前驱体材料，将异质结前驱体材料过滤烘干，400℃焙烧5h制得异质结材料；
S2将20g异质结材料、2g十六烷基苯磺酸钠，2g天然纤维微纤，加入到456g去离子水中，进行超声振荡0.5h，再在60℃加热搅拌2h，制得分散较好的异质结胶体溶液，也就是所述高效环保的可见光光催化剂。
比对例：
在实施例1的基础上将200g二氧化钛和200g二氧化锌，换成400g二氧化钛，其他制备组分及工艺不变。
对比试验
将上述各实施例和对比例的产品各100g，喷洒在20立方米密封房间内，密封房间内的甲醛初始浓度为50mg/m3，利用常用日光灯和太阳光照射，采用分光光度检测仪对室内甲醛浓度进行定期检测。
表1实施例与对比例的实测数据表
观测时间 2h 8h 24h 48h
实施例1 62.0％ 85.3％ 95.8％ 98.7％
实施例2 56.7％ 79.5％ 90.6％ 96.2％
实施例3 65.4％ 89.1％ 97.8％ 99.0％
对比例 25.1％ 40.4％ 57.2％ 62.8％
由上表可以看出，本申请的可见光光催化剂具有较好的甲醛去除效果，特别是在实施例3中采用三种金属氧化物制备的异质结材料，其处理效果是显著优于其他异质结材料。而仅用二氧化钛为对比例制备的光催化材料，其甲醛去除效果相对较差。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高效环保的可见光光催化剂，其特征在于，其为一种异质结胶体溶液，所述异质结胶体溶液中包括二氧化钛和辅助金属氧化物，所述辅助金属氧化物选自氧化锌、氧化铜、氧化锰、三氧化二铁和三氧化二铋中的一种或两种。
2.根据权利要求1所述高效环保的可见光光催化剂，其特征在于，所述辅助金属氧化物为氧化锌和氧化锰。
3.权利要求1或2所述高效环保的可见光光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：。
S1:异质结材料制备：将二氧化钛、辅助金属氧化物、第一表面活性剂、第一分散剂加入到去离子水中，球磨处理5-12h，然后过滤烘干，焙烧制得异质结材料；
S2:异质结胶体溶液的配制：将S1中制备的异质结材料、第二表面活性剂、第二分散剂和去离子水混合后超声振荡0.3-1h，再加热搅拌1-5h，制得异质结胶体溶液，即为所述高效环保的可见光光催化剂。
4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述第一表面活性剂或第二表面活性剂选自乙二醇、丙二醇、十二烷基苯磺酸钠和十六烷基苯磺酸钠中的一种或一种以上。
5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述第一表面活性剂为乙二醇，第二表面活性剂为十六烷基苯磺酸钠。
6.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述第一分散剂或第二分散剂选自聚乙二醇、聚丙二醇、木质素磺酸钠和天然纤维微纤中的一种或一种以上。
7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述第一分散剂为聚乙二醇和木质素磺酸钠，第二分散剂为天然纤维微纤。
8.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述S1中，焙烧温度为
300～500℃，焙烧时间为2～10h。
9.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述S2中，加热搅拌的温度为50～80℃。
10.权利要求1或2所述高效环保的可见光光催化剂在光降解甲醛分子中的应用。
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