一種網狀光觸媒材料、製備方法及其應用和設備
2024-04-12 02:35:05 1
1.本發明屬於光催化技術領域，具體為一種網狀光觸媒材料、製備方法及其應用和設備。
背景技術：
2.光觸媒是具備光催化效果的納米半導體材料的總稱，例如tio2、fe2o3、sio2等，其中納米tio2具有比表面積大、表面張力大、熔點低、磁性強、光吸收性能好，特別是吸收紫外線的能力強、表面活性大、熱導性能好、分散性好等特點，被廣泛應用。
3.但純淨的tio2光觸媒催化效果較差，催化周期較長。因此，如何改性tio2光觸媒，成為近年來科研的重點。
4.tio2複合載體材料是近幾年為提高tio2光催化活性而提出的新方法，這種方法主要是利用載體材料吸附性強、比表面積大、無毒以及耐腐蝕性強等優點，以膨潤土、硅藻土、新型碳材料等為載體材料組成複合體系。常用的負載方法有粉體燒結法、溶膠凝膠法、沉積法、濺射法、水熱法等。其中，粉體燒結法直接採用超聲分散等方法把tio2粉末與一定溶液製成懸濁液並用載體浸漬，沉積一定的tio2顆粒後乾燥焙燒就可簡易獲得，這種方法可大規模生產且催化劑活性較高，但穩定性與再生性較差。溶膠凝膠法以無機鈦鹽，或鈦醇鹽為前軀體，通過外力攪拌在一定介質中水解、縮合形成溶膠，再陳化成凝膠，通過浸漬提拉、旋轉塗布或噴塗的方法負載到載體上之後高溫焙燒即可獲得，雖然操作相對複雜，但反應過程溫和、容易控制。沉積法是指通過雷射、高溫等方法使tio2成為蒸汽或分散度較高的液相，再在低溫下接觸載體，並凝結在載體上形成薄膜的一種方法，常壓下即可進行，所需設備簡單但膜的均勻性較差。濺射法也叫等離子體處理法，氣體中的等離子體在電場與磁場的作用下具有很高的速度與能量，這些等離子體轟擊tio2固體的表面，使ti
4+
離子脫離tio2的晶格逸出，轉移並沉積到載體表面形成薄膜，但是，由於濺射法需在電場或磁場中操作，所需溫度較高，故載體材料對溫度要求比較高。
5.cn108855169a公開了一種用作填料的多孔碳化矽/改性tio2複合光催化劑製備方法，首先將石墨烯加入到無水乙醇和去離子水中，超聲分散處理製得石墨烯溶液a；再將tio2加入無水乙醇中，超聲分散後加入到石墨烯溶液a中，調節溶液ph值，製得溶液b；把多孔碳化矽粉末加入到無水乙醇和去離子水中，超聲分散處理後加入到溶液b中，經攪拌形成凝膠；將凝膠轉移到反應釜中，在200℃下反應12小時，乾燥後經研磨製得粉末狀多孔碳化矽/改性tio2複合光催化劑。該發明利用多孔碳化矽吸附與納米tio2光催的協同作用，提高了tio2光催化效率，但該發明為粉末狀填料，在廢水、廢氣處理中極易團聚，導致長期催化效率差。
技術實現要素：
6.為了解決上述技術問題，本發明提供了一種網狀光觸媒材料、製備方法及其應用和設備，本發明利用鑲嵌多孔碳化矽小球的金屬網作為二氧化鈦的負載，避免了粉末狀填
料在廢水、廢氣處理中易團聚現象的發生，製成的光觸媒材料具有較好的長期穩定性。
7.為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
8.一種網狀光觸媒材料，包括金屬網，其中，所述金屬網的網格上鑲嵌著多孔碳化矽小球，多孔碳化矽小球和金屬網的表面負載二氧化鈦塗層。
9.優選地，所述金屬網的網格尺寸為1-10mm。
10.優選地，本發明中相鄰的碳化矽小球間隔至少一個網格。
11.優選地，所述二氧化鈦塗層中含n元素。
12.本發明中所述二氧化鈦塗層的製備方法，包括以下步驟：
13.(1)將鈦酸四丁酯、二乙醇胺和水加入無水乙醇中攪拌，形成溶膠；
14.(2)控制溶膠的溫度，並加入穩定劑和尿素攪拌，得到二氧化鈦溶膠；
15.(3)將鑲嵌碳化矽小球的金屬網放入二氧化鈦溶膠中，採用浸漬提拉法在碳化矽小球上負載溶膠，得到負載溶膠的金屬網；
16.(4)將負載溶膠的金屬網高溫焙燒。
17.優選地，步驟(1)中所述鈦酸四丁酯、二乙醇胺、水和無水乙醇的摩爾比為1：1：1：30。優選地，步驟(2)中所述溫度為40
±
5℃，所述穩定劑為鹽酸，所述尿素與鈦酸四丁酯的摩爾比例為0.2-0.4：1。
18.優選地，步驟(3)中所述浸漬提拉法的次數為1-10次。
19.優選地，步驟(4)中所述焙燒為：500-600℃下焙燒1-2小時。
20.本發明還提供了上述網狀光觸媒材料的製備方法，包括以下步驟：
21.s1、準備金屬網；
22.s2、在金屬網上鑲嵌尺寸匹配的多孔碳化矽小球；
23.s3、將鑲嵌有多孔碳化矽小球的金屬網放入二氧化鈦溶膠中，採用浸漬提拉法負載二氧化鈦溶膠；
24.s4、將負載二氧化鈦溶膠的金屬網高溫焙燒，得到所述網狀光觸媒材料。
25.本發明還提供了上述網狀光觸媒材料在廢水和/或廢氣處理中的應用。
26.本發明還提供了一種光催化設備，利用上述網狀光觸媒材料進行光催化。
27.本發明的有益效果為：
28.(1)本發明利用鑲嵌多孔碳化矽小球的金屬網作為二氧化鈦的負載，避免了粉末狀填料在廢水、廢氣處理中易團聚現象的發生，製成的光觸媒材料具有較好的長期穩定性。
29.(2)本發明的網狀光觸媒材料的損失小，穩定性好，無需頻繁更換填料，相比現有技術，成本更低，操作更為簡便。
附圖說明
30.圖1為本發明網狀光觸媒材料的示意圖，
31.其中，1為金屬網；2為網格；3為多孔碳化矽小球。
具體實施方式
32.以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實
施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
33.在進一步描述本發明具體實施方式之前，應理解，本發明的保護範圍不局限於下述特定的具體實施方案；還應當理解，本發明實施例中使用的術語是為了描述特定的具體實施方案，而不是為了限制本發明的保護範圍。
34.當實施例給出數值範圍時，應理解，除非本發明另有說明，每個數值範圍的兩個端點以及兩個端點之間任何一個數值均可選用。除非另外定義，本文中使用的所有技術和科學術語具有與本發明所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同意義。
35.本發明對所採用原料的來源不作限定，如無特殊說明，本發明所採用的原料均為本技術領域普通市售品。
36.如圖1所示，本發明的網狀光觸媒材料，包括金屬網1，其中，所述金屬網的網格2尺寸為1-10mm，網格2上鑲嵌著尺寸匹配的多孔碳化矽小球3，相鄰的多孔碳化矽小球之間間隔至少1個網格，所述多孔碳化矽小球和金屬網表面負載有摻雜n元素的二氧化鈦塗層。
37.具體地，本發明中所述二氧化鈦塗層的製備方法，包括以下步驟：
38.(1)按摩爾比為1：1：1：30，將鈦酸四丁酯、二乙醇胺和水加入無水乙醇中攪拌，形成溶膠；
39.(2)控制溶膠的溫度為40
±
2℃，並加入少量鹽酸和尿素攪拌，得到二氧化鈦溶膠；
40.其中，尿素與鈦酸四丁酯的摩爾比為0.2-0.4：1；
41.(3)將鑲嵌多孔碳化矽小球的金屬網放入二氧化鈦溶膠中，採用浸漬提拉法在碳化矽小球上負載溶膠，得到負載溶膠的金屬網；
42.(4)將負載溶膠的金屬網在500-600℃下焙燒1-2小時，即可。
43.本發明還提供了上述網狀光觸媒材料的製備方法，包括以下步驟：
44.s1、準備金屬網；
45.s2、在金屬網上鑲嵌尺寸匹配的多孔碳化矽小球；
46.s3、將鑲嵌有多孔碳化矽小球的金屬網放入二氧化鈦溶膠中，採用浸漬提拉法負載二氧化鈦溶膠；
47.s4、將負載二氧化鈦溶膠的金屬網高溫焙燒，得到所述網狀光觸媒材料。
48.下面結合具體實施例，對發明的技術效果進行闡述。
49.實施例1
50.網狀光觸媒材料的製備方法，包括以下步驟：
51.s1、準備網格尺寸為10mm的金屬網；
52.s2、在金屬網上鑲嵌尺寸匹配的多孔碳化矽小球，相鄰的多孔碳化矽小球之間間隔5個網格；
53.s3、將鑲嵌有多孔碳化矽小球的金屬網放入二氧化鈦溶膠中，採用浸漬提拉法重複5次，負載二氧化鈦溶膠；
54.所述二氧化鈦溶膠的配置方法為：按摩爾比為1：1：1：30，將鈦酸四丁酯、二乙醇胺和水加入無水乙醇中攪拌，形成溶膠；然後控制溶膠的溫度為40
±
2℃，加入少量鹽酸和尿素攪拌，得到二氧化鈦溶膠；其中，尿素與鈦酸四丁酯的摩爾比為0.2：1；鹽酸與鈦酸四丁酯的摩爾比為0.01：1；
55.s4、將負載二氧化鈦溶膠的金屬網在500℃下焙燒2小時，得到所述網狀光觸媒材料。
56.實施例2
57.網狀光觸媒材料的製備方法，包括以下步驟：
58.s1、準備網格尺寸為1mm的金屬網；
59.s2、在金屬網上鑲嵌尺寸匹配的多孔碳化矽小球，相鄰的多孔碳化矽小球之間間隔1個網格；
60.s3、將鑲嵌有多孔碳化矽小球的金屬網放入二氧化鈦溶膠中，採用浸漬提拉法重複5次，負載二氧化鈦溶膠；
61.所述二氧化鈦溶膠的配置方法為：按摩爾比為1：1：1：30，將鈦酸四丁酯、二乙醇胺和水加入無水乙醇中攪拌，形成溶膠；然後控制溶膠的溫度為40
±
2℃，加入少量鹽酸和尿素攪拌，得到二氧化鈦溶膠；其中，尿素與鈦酸四丁酯的摩爾比為0.4：1；鹽酸與鈦酸四丁酯的摩爾比為0.02：1；
62.s4、將負載二氧化鈦溶膠的金屬網在600℃下焙燒1小時，得到所述網狀光觸媒材料。
63.實施例3
64.網狀光觸媒材料的製備方法，包括以下步驟：
65.s1、準備網格尺寸為5mm的金屬網；
66.s2、在金屬網上鑲嵌尺寸匹配的多孔碳化矽小球，相鄰的多孔碳化矽小球之間間隔2個網格；
67.s3、將鑲嵌有多孔碳化矽小球的金屬網放入二氧化鈦溶膠中，採用浸漬提拉法重複5次，負載二氧化鈦溶膠；
68.所述二氧化鈦溶膠的配置方法為：按摩爾比為1：1：1：30，將鈦酸四丁酯、二乙醇胺和水加入無水乙醇中攪拌，形成溶膠；然後控制溶膠的溫度為40
±
2℃，加入少量鹽酸和尿素攪拌，得到二氧化鈦溶膠；其中，尿素與鈦酸四丁酯的摩爾比為0.3：1；鹽酸與鈦酸四丁酯的摩爾比為0.015：1；
69.s4、將負載二氧化鈦溶膠的金屬網在550℃下焙燒1.5小時，得到所述網狀光觸媒材料。
70.對比例1
71.本對比例與實施例3的區別在於，不控制溶膠的溫度，且鹽酸的加入量不同，具體為：
72.網狀光觸媒材料的製備方法，包括以下步驟：
73.s1、準備網格尺寸為5mm的金屬網；
74.s2、在金屬網上鑲嵌尺寸匹配的多孔碳化矽小球，相鄰的多孔碳化矽小球之間間隔2個網格；
75.s3、將鑲嵌有多孔碳化矽小球的金屬網放入二氧化鈦溶膠中，採用浸漬提拉法重複5次，負載二氧化鈦溶膠；
76.所述二氧化鈦溶膠的配置方法為：按摩爾比為1：1：1：30，將鈦酸四丁酯、二乙醇胺和水加入無水乙醇中攪拌，形成溶膠；加入少量鹽酸和尿素攪拌，得到二氧化鈦溶膠；其中，
尿素與鈦酸四丁酯的摩爾比為0.3：1；鹽酸與鈦酸四丁酯的摩爾比為0.03：1；
77.s4、將負載二氧化鈦溶膠的金屬網在550℃下焙燒1.5小時，得到所述網狀光觸媒材料。
78.一、甲醛降解性能測試
79.在體積為0.5m3的透明pvc容器(1m*1m*0.5m)中，放入1張尺寸0.3m*0.3m的網狀光觸媒材料，並放入沾有甲醛的棉球，密閉。通過氣體採樣針對容器內氣體進行採樣，測試其初始甲醛濃度，在紫外燈(30w)照射48h後，再次對容器內氣體進行採樣，測試其甲醛濃度。計算甲醛的降解率，結果如表1所示。
80.表1甲醛降解率
[0081][0082]
可見，本發明製備的網狀光觸媒材料具有較好的光催化效率，可以快速降解甲醛。
[0083]
二、重複使用效果
[0084]
將網狀光觸媒材料，經過5次重複使用處理含甲醛的氣體(甲醛含量均為0.40mg/m3，每次30w紫外燈照射48h)，測定第6次重複處理時的甲醛降解率。結果如表2所示。
[0085]
表2網狀光觸媒材料重複第6次的甲醛降解率
[0086][0087]
由表2可知，本發明的網狀光觸媒材料在重複使用第6次時，甲醛降解率波動較小，依然維持在較高水平，表明本發明製備的網狀光觸媒材料的重複利用性好，具有較好的穩定性。同時，對比例1其製備的網狀光觸媒材料，在重複第6次時，甲醛降解率波動較大，降解率僅為35％，表明二氧化鈦溶膠溫度的控制以及鹽酸的加入量對網狀光觸媒材料的穩定性影響較大。
[0088]
以上是結合具體實施例對本發明進一步的描述，但這些實施例僅僅是範例性的，並不對本發明的範圍構成任何限制。本領域技術人員應該理解的是，在不偏離本發明的精神和範圍下可以對本發明技術方案的細節和形式進行修改或替換，但這些修改和替換均落入本發明的保護範圍內。