以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料及其製備方法與流程
2023-06-04 21:13:51
本發明屬於光催化材料技術領域，具體涉及一種以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料及其製備方法。
背景技術：
納米級二氧化鈦，是指直徑在100納米以下的二氧化鈦(TiO2)。納米TiO2不僅具備十分寶貴的光學性質，還具有很高的化學穩定性、熱穩定性、無毒性、超親水性、非遷移性，且完全可以與食品接觸，所以被廣泛應用於抗紫外材料、紡織、光催化觸媒、自潔玻璃、防曬霜、塗料、油墨、食品包裝材料、造紙工業、航天工業、鋰電池等領域中。但在實際應用過程中，純納米TiO2存在易團聚、難以回收、自然光利用率不高的缺點。將納米TiO2負載在合適的載體材料上是目前解決該問題的主要方法之一。現有技術中，已存在一些納米TiO2負載在載體材料上的方法，但是這些方法製備成本高，製備的產品二氧化鈦負載量不高，且光催化性能有待進一步提升。
技術實現要素：
本發明的目的是如何提供一種負載量高、白度高、光催化效果好、成本低的以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料及其製備方法。
本發明解決上述技術問題採取的技術方案如下。
以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料，白度為80～85，由硅藻土白炭黑和負載在硅藻土白炭黑上的納米二氧化鈦組成；
所述硅藻土白炭黑的二氧化矽含量為98％以上，粒徑為15～40um，燒失量為2～2.5％，比表面積為490～530m2/g，孔體積為0.6～0.7ml/g；
所述納米二氧化鈦的負載量為35～40％，晶粒度≤15nm。
上述以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料的製備方法，步驟如下：
步驟一、將水和硅藻土白炭黑按質量比(28～32):1攪拌混合均勻，鹽酸調節PH值為1～2，得到硅藻土白炭黑漿液；
步驟二、待硅藻土白炭黑漿液溫度降至-5℃以下，加入四氯化鈦溶液和硫酸銨溶液，升溫至50～55℃，攪拌下保溫1～1.5h，然後加入碳酸銨溶液調節pH值為4～4.5，25～40℃陳化0.5～2.0h，降溫，過濾，洗滌，乾燥，550～600℃煅燒2～3h，得到以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料；
所述硅藻土白炭黑、四氯化鈦、硫酸銨的質量比為70:(85～90):70。
與現有技術相比，本發明的有益效果是:
本發明的以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料比表面積大，表面二氧化鈦負載量高，晶粒度小，光催化性能優異，在紫外光下，20min內Rhodamine-B溶液的降解率達到98％以上；除甲醛效果好，24h甲醛降解率達到85％以上，48h甲醛降解率達到75％以上；
本發明的以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料的白度高，能夠達到80以上；
本發明的以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料成本低，沉澱白炭黑價格高8000～10000元/噸，本發明採用的硅藻土白炭黑價格為3500元～5000元/噸，明顯降低了生產成本，提高生產效益；
本發明的以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料的製備方法成本低，操作簡單，適用於工業化生產。
具體實施方式
為了進一步了解本發明，下面結合具體實施方式對本發明的優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特徵和優點而不是對本發明專利要求的限制。
以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料，白度為80～85，由硅藻土白炭黑和負載在硅藻土白炭黑上的納米二氧化鈦組成。
其中，硅藻土白炭黑的二氧化矽含量為98％以上，粒徑為15～40um，燒失量為2～2.5％，比表面積為490～530m2/g，孔體積為0.6～0.7ml/g；該硅藻土白炭黑可以通過商購獲得，也可以製備獲得，具體可參見，中國專利用硅藻土製備納米二氧化矽的方法(公開號1508068A)。
納米二氧化鈦的負載量為35～40％，以晶粒形態存在，晶粒度≤15nm，如果納米二氧化鈦的負載量低於35％，反應體系中濃度低，會降低碰撞機率，進而降低負載粒子數量；如果納米二氧化鈦的負載量高於40％，不僅成本會增加，而且會造成二氧化鈦生長速率和成核速率增大，增加晶粒度，不容易吸附到白炭黑表面。
上述以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料的製備方法，步驟如下:
步驟一、將水和硅藻土白炭黑按質量比(28～32):1攪拌混合均勻，鹽酸調節PH值為1～2，得到硅藻土白炭黑漿液；
其中，硅藻土白炭黑漿液的濃度與TiO2負載量一樣，與產品性能和成本相關；如水和硅藻土白炭黑質量比小於28:1，硅藻土白炭黑漿液濃度增大，相同TiO2負載量情況下，單位載體表面TiO2過低，並且在靜電引力的作用下，造成載體團聚，比表面積減小，不利於TiO2的負載；如水和硅藻土白炭黑質量比大於32:1，硅藻土白炭黑漿液濃度減小，單位質量的複合材料的製備成本增加。
步驟二、待硅藻土白炭黑漿液溫度降至-5℃以下，通常為-10℃～-5℃，加入四氯化鈦溶液和硫酸銨溶液，硅藻土白炭黑、四氯化鈦、硫酸銨的質量比為70:(85～90):70，升溫至50～55℃，攪拌下保溫1～1.5h，然後加入碳酸銨溶液調節pH值為4～4.5，20～40℃陳化0.5～2.0h，降溫，過濾，洗滌，乾燥，550～600℃煅燒2～3h，得到以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料；
其中，反應溫度高於55℃，反應速度太快，縮聚速率增大，含鈦膠粒凝聚時間減少，容易形成大顆粒水解產物，產生的大顆粒水解產物不容易吸附在載體表面，導致鈦元素被吸附到載體表面的機會和化學含量降低。攪拌下保溫時間低於1h，反應不夠充分徹底，影響光催化效果，攪拌下保溫時間高於1.5h，在反應已經結束的情況下，在攪拌力的作用下，負載在載體表面的鈦的水化膜容易從載體表面脫落，影響光催化效果。反應終點pH值決定著TiO2水合粒子的電學性質，從而影響所製備複合材料的光催化效率。煅燒溫度和時間是影響光催化材料性能的重要因素之一，載體表面TiO2晶體結構、粒徑、比表面積、粗糙度等表面性質與煅燒溫度和時間密切相關，本發明的550～600℃煅燒2～3h是實現本發明的技術效果必要的工藝條件。
以下結合實施例進一步說明本發明。
實施例1
以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料，白度為80，由硅藻土白炭黑和負載在硅藻土白炭黑上的納米二氧化鈦組成；硅藻土白炭黑的二氧化矽含量為98.55％，粒徑為15～40um，燒失量為2.21％，比表面積為520m2/g，孔體積為0.63ml/g；納米二氧化鈦的負載量為38％，晶粒度12.65nm。
以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料的製備方法:
步驟一、將水和硅藻土白炭黑按質量比30:1攪拌混合均勻，鹽酸調節PH值為1.5，得到硅藻土白炭黑漿液；
步驟二、待硅藻土白炭黑漿液溫度降至-5℃，加入四氯化鈦溶液和硫酸銨溶液，升溫至50℃，保溫1.2h，然後加入碳酸銨溶液調節pH值為4.3，25℃陳化2.0h，降溫，過濾，洗滌，乾燥，580℃煅燒2.5h，得到以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料，其中，硅藻土白炭黑、四氯化鈦、硫酸銨的質量比為70:90:70。
取0.1g以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料樣品加入100mL濃度為l0mg/L的羅丹明B溶液中，磁力攪拌下，在紫外光下光照20min，測得Rhodamine-B溶液的降解率達到98.5％。在1m3的密閉玻璃箱內放入盛有3uL甲醛的培養皿和塗有8g以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料樣品的玻璃板，箱內甲醛氣體初始濃度0.7mg/m'S，30W口光燈連續照射，經檢測24h甲醛降解率達到89％，48h甲醛降解率達到85％。說明本發明的以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料的光催化性能優異和除甲醛性能優異。
實施例2
以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料，白度為84，由硅藻土白炭黑和負載在硅藻土白炭黑上的納米二氧化鈦組成；硅藻土白炭黑的二氧化矽含量為98.79％，粒徑為15～40um，燒失量為2.2％，比表面積為516m2/g，孔體積為0.68ml/g；納米二氧化鈦的負載量為40％，晶粒度13.2nm。
以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料的製備方法:
步驟一、將水和硅藻土白炭黑按質量比28:1攪拌混合均勻，鹽酸調節PH值為1，得到硅藻土白炭黑漿液；
步驟二、待硅藻土白炭黑漿液溫度降至-4℃，加入四氯化鈦溶液和硫酸銨溶液，升溫至55℃，保溫1h，然後加入碳酸銨溶液調節pH值為4.5，40℃陳化2.0h，降溫，過濾，洗滌，乾燥，550℃煅燒3h，得到以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料，其中，硅藻土白炭黑、四氯化鈦、硫酸銨的質量比為70:85:70。
經檢測，在紫外光下，20min內Rhodamine-B溶液的降解率達到98％；24h甲醛降解率達到85％，48h甲醛降解率達到80％(檢測方法與實施例1相同)。
實施例3
以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料，白度為85，由硅藻土白炭黑和負載在硅藻土白炭黑上的納米二氧化鈦組成；硅藻土白炭黑的二氧化矽含量為98.8％，粒徑為15～40um，燒失量為2.16％，比表面積為490m2/g，孔體積為0.68ml/g；納米二氧化鈦的負載量為35％，晶粒度11.25nm。
以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料的製備方法:
步驟一、將水和硅藻土白炭黑按質量比32:1攪拌混合均勻，鹽酸調節PH值為2，得到硅藻土白炭黑漿液；
步驟二、待硅藻土白炭黑漿液溫度降至-5℃，加入四氯化鈦溶液和硫酸銨溶液，升溫至50℃，保溫1.5h，然後加入碳酸銨溶液調節pH值為4.5，40℃陳化2.0h，降溫，過濾，洗滌，乾燥，600℃煅燒2h，得到以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料，其中，硅藻土白炭黑、四氯化鈦、硫酸銨的質量比為70:90:70。
對比例1
以沉澱白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料的製備方法:
步驟一、將水和沉澱白炭黑(比表面積為136.96cm2/g，孔體積為0.22cm3/g，平均孔徑為89nm，燒失量為6.60％)按質量比32:1攪拌混合均勻，鹽酸調節PH值為2，得到沉澱白炭黑漿液；
步驟二、待沉澱白炭黑漿液溫度降至-5℃，加入四氯化鈦溶液和硫酸銨溶液，升溫至50℃，保溫1.5h，然後加入碳酸銨溶液調節pH值為4.5，40℃陳化2.0h，降溫，過濾，洗滌，乾燥，600℃煅燒2h，得到以沉澱白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料，其中，沉澱白炭黑、四氯化鈦、硫酸銨的質量比為70:90:70。
經檢測，在紫外光下，20min內Rhodamine-B溶液的降解率達到90.4％；24h甲醛降解率達到79％，48h甲醛降解率達到70％(檢測方法與實施例1相同)。對比例1表明，如果將本發明的硅藻土白炭黑更換為沉澱白炭黑，會明顯降低材料的光催化效果。
對比例2
以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料的製備方法:
步驟一、將水和硅藻土白炭黑按質量比40:1攪拌混合均勻，鹽酸調節PH值為2，得到硅藻土白炭黑漿液；
步驟二、待硅藻土白炭黑漿液溫度降至-5℃，加入四氯化鈦溶液和硫酸銨溶液，升溫至50℃，保溫1.5h，然後加入碳酸銨溶液調節pH值為4.5，40℃陳化2.0h，降溫，過濾，洗滌，乾燥，600℃煅燒2h，得到以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料，其中，硅藻土白炭黑、四氯化鈦、硫酸銨的質量比為70:90:70。
經檢測，在紫外光下，20min內Rhodamine-B溶液的降解率達到92.7％；24h甲醛降解率達到78％，48h甲醛降解率達到71％(檢測方法與實施例1相同)。對比例2表明，降低硅藻土白炭黑漿液濃度會明顯降低材料的光催化效果。
對比例3
以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料的製備方法:
步驟一、將水和硅藻土白炭黑按質量比20:1攪拌混合均勻，鹽酸調節PH值為2，得到硅藻土白炭黑漿液；
步驟二、待硅藻土白炭黑漿液溫度降至-5℃，加入四氯化鈦溶液和硫酸銨溶液，升溫至50℃，保溫1.5h，然後加入碳酸銨溶液調節pH值為4.5，40℃陳化2.0h，降溫，過濾，洗滌，乾燥，600℃煅燒2h，得到以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料，其中，硅藻土白炭黑、四氯化鈦、硫酸銨的質量比為70:90:70。
經檢測，在紫外光下，20min內Rhodamine-B溶液的降解率達到90.4％；24h甲醛降解率達到78.6％，48h甲醛降解率達到70.6％(檢測方法與實施例1相同)。對比例3表明，提高硅藻土白炭黑漿液濃度會明顯降低材料的光催化效果。
對比例4
以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料的製備方法:
步驟一、將水和硅藻土白炭黑按質量比32:1攪拌混合均勻，鹽酸調節PH值為2，得到硅藻土白炭黑漿液；
步驟二、待硅藻土白炭黑漿液溫度降至-5℃，加入四氯化鈦溶液和硫酸銨溶液，升溫至60℃，保溫2h，然後加入碳酸銨溶液調節pH值為4.5，40℃陳化2.0h，降溫，過濾，洗滌，乾燥，600℃煅燒2h，得到以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料，其中，硅藻土白炭黑、四氯化鈦、硫酸銨的質量比為70:90:70。
經檢測，在紫外光下，20min內Rhodamine-B溶液的降解率達到96.3％；24h甲醛降解率達到80.3％，48h甲醛降解率達到75％(檢測方法與實施例1相同)。對比例4表明，本發明的反應溫度如果高於55℃都會明顯降低材料的光催化效果。
對比例5
以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料的製備方法:
步驟一、將水和硅藻土白炭黑按質量比32:1攪拌混合均勻，鹽酸調節PH值為2，得到硅藻土白炭黑漿液；
步驟二、待硅藻土白炭黑漿液溫度降至-5℃，加入四氯化鈦溶液和硫酸銨溶液，升溫至30℃，保溫4h，然後加入碳酸銨溶液調節pH值為4.5，40℃陳化2.0h，降溫，過濾，洗滌，乾燥，600℃煅燒2h，得到以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料，其中，硅藻土白炭黑、四氯化鈦、硫酸銨的質量比為70:90:70。
經檢測，在紫外光下，20min內Rhodamine-B溶液的降解率達到92.1％；24h甲醛降解率達到75％，48h甲醛降解率達到69％(檢測方法與實施例1相同)。對比例5表明，本發明的反應溫度如果低於50℃會明顯降低材料的光催化效果。
對比例6
以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料的製備方法:
步驟一、將水和硅藻土白炭黑按質量比32:1攪拌混合均勻，鹽酸調節PH值為2，得到硅藻土白炭黑漿液；
步驟二、待硅藻土白炭黑漿液溫度降至-5℃，加入四氯化鈦溶液和硫酸銨溶液，升溫至30℃，保溫4h，然後加入碳酸銨溶液調節pH值為4.5，40℃陳化2.0h，降溫，過濾，洗滌，乾燥，700℃煅燒2h，得到以硅藻土白炭黑為載體負載納米TiO2光催化材料，其中，硅藻土白炭黑、四氯化鈦、硫酸銨的質量比為70:90:70。
經檢測，在紫外光下，20min內Rhodamine-B溶液的降解率達到90％；24h甲醛降解率達到78％，48h甲醛降解率達到74％(檢測方法與實施例1相同)。對比例6表明，本發明的煅燒溫度如果高於600℃會明顯降低材料的光催化效果。
顯然，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對於所述技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。