一種氧化釔/二氧化鈦納米複合材料及其製備方法

2024-02-17 17:59:15 1

專利名稱：一種氧化釔/二氧化鈦納米複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明屬於無機非金屬材料領域，特別涉及氧化釔/二氧化鈦納米複合材料及其製備方法。
背景技術：
納米複合材料因能增強單一物質的特性或具有單一物質無可比擬的優點而受到廣泛關注。二氧化鈦是一種半導體納米催化劑，具有良好的禁帶寬度(禁帶寬度3.2eV)、氧化能力強，催化活性高，無毒，生物、化學、光化學穩定性好等優點，可用於廢氣淨化、汙水處理、空氣淨化、滅菌消毒、能源材料等領域。但TiO2半導體的光響應範圍較窄，半導體光生電子/空穴對的複合機率較高，激發態價帶空穴和導帶電子極易失活。因此，需要對TiO2進行改性以提高其催化活性，並使其光響應範圍向可見光拓展。純TiO2對有機汙染物(如二惡英類持久性有機汙染物)的降解效果有限，根據半導體原理，氧化釔摻雜或複合二氧化鈦形成的氧化釔/二氧化鈦納米複合材料可以極大地提高其催化性能。

發明內容
本發明的目的是以銳鈦礦型二氧化鈦為基體，提供一種製備氧化釔/二氧化鈦納米複合材料的方法，本發明對二氧化鈦催化劑改性，即改變粒子結構與表面性質，從而擴大光響應範圍，抑制載流子複合以提高量子效率，提高催化材料的活性和穩定性，使其更適合廢氣治理(如二惡英等的催化分解)、汙水處理等環保領域。
本發明的技術關鍵在於尋求性能好、成本低、對環境無毒副作用的催化劑。這是因為二惡英是一種對環境汙染嚴重且極難降解的有機汙染物，目前其他常見的催化劑降解效率不高或者對環境產生毒性，選擇一種催化活性高、價格低廉的催化劑是實現廢氣中二惡英催化分解的關鍵。
本發明在已有研究工作的基礎上，設計出不同的釔/鈦配比的催化劑，採用不同的工藝流程方案，對不同試驗所得到的成品對二惡英進行催化試驗。經過對釔/鈦配比和工藝參數的調整和優化，以及近百次的催化條件改進，獲得了可以滿足分解處理廢氣中二惡英的氧化釔/二氧化鈦複合催化劑。
本發明的技術方案是，一種氧化釔/二氧化鈦納米複合材料，其成分質量百分比為Y2Ti2O70.1～75銳鈦礦型TiO210～45金紅石型TiO210～70。
本發明的氧化釔/二氧化鈦納米複合材料的製備方法，其包括如下步驟(1)鈦鹽溶液的製備按照產品中TiO2的含量量取鈦鹽；並按體積比為1∶1～1∶5分別量取溶劑(無水乙醇、乙醯丙酮等)，將這兩種物質混合，用超聲波或磁力攪拌充分分散均勻，得到鈦鹽的溶液(如鈦酸丁酯的乙醇溶液)；本工序中加入溶劑的目的是為了使反應緩和；(2)釔鹽溶液的製備按照在產品中含氧化釔的量稱取釔鹽，氧化釔的攙雜量取從0.01％到90％中的任意一個值，如30％；按摩爾比水/釔鹽＞1加入一定量的去離子水，用超聲波或磁力攪拌分散並使之溶解，得到釔鹽的水溶液(如硝酸釔的水溶液)；(3)鈦鹽溶液和釔鹽溶液混合製取溶膠將裝有鈦鹽溶液(如鈦酸丁酯的乙醇溶液)的燒杯置於磁力攪拌儀上攪拌，並將釔鹽溶液(如硝酸釔的水溶液)逐滴滴加到鈦鹽溶液中。隨著硝酸釔的水溶液的滴加，鈦酸丁酯會劇烈水解生成白色沉澱，水解過程用鹼溶液(可用的鹼溶液有氨水、氫氧化鈉、氫氧化鉀等)來控制反應體系的pH值為鹼性(即PH＞7)；充分反應一段時間後，停止攪拌，即得到溶膠；(4)Y2O3/TiO2納米複合材料的製取利用上一步得到的溶膠，在室溫下陳化，(陳化，即，溶膠是具有液體特徵的膠體體系，分散的粒子是固體或者大分子，凝膠是具有固體特徵的膠體體系，被分散的物質形成連續的網狀骨架，骨架空隙中充有液體或氣體。溶膠經陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網絡結構的凝膠，凝膠網絡間充滿了失去流動性的溶劑，形成凝膠；凝膠經過乾燥、燒結固化製備出分子乃至納米結構的材料。)成為凝膠；用蒸餾水洗滌、過濾至少兩次，再用無水乙醇洗滌、過濾至少一次，去除殘餘的有機物和其他雜質；將洗滌後的粉體烘乾後即可製得Y2O3/TiO2納米複合材料的前驅體，前驅體經過研磨後在450～800℃下焙燒4～8h得到Y2O3/TiO2納米複合材料。
其中，所述的鈦鹽為鈦酸丁酯、鈦酸異丙酯、四氯化鈦、硫酸氧鈦、或硫酸鈦；所述的釔鹽為硝酸釔或氯化釔；所述的鹼溶液為氨水、氫氧化鈉或氫氧化鉀。
本發明的有益效果本發明與現有工藝技術相比具有以下優點(1)本發明是採用溶膠-凝膠法和簡單焙燒結合的一種新穎的製備納米粉體方法，技術相對簡單，操作容易，對設備要求低，故能較大降低成本。
(2)本發明製得的氧化釔/二氧化鈦納米複合材料，與純的TiO2相比，將表現出更高的催化能力。銳鈦礦型氧化鈦複合Y2O3實際上是對TiO2顆粒的修飾，可提高系統的電荷分離效果，擴展TiO2光譜響應範圍。所得的產品顆粒大小均勻，光響應範圍擴大，可以在水汙染處理、廢氣治理、滅菌消毒等領域得到更廣泛的應用。


圖1為製備氧化釔/二氧化鈦納米複合材料的工藝流程示意圖；圖2為不同焙燒溫度下氧化釔/二氧化鈦納米複合材料的XRD圖；圖3是Y2O3/TiO2納米複合材料的UV-vis(紫外-可見光光譜)圖。
具體實施例方式
參見圖1，其所示為製備氧化釔/二氧化鈦納米複合材料的工藝流程示意圖，取10ml鈦酸丁酯(分析純)和10ml無水乙醇混合，用超聲波分散10min。將混合液用在集熱式恆溫磁力攪拌器攪拌，用15ml的去離子水溶解3.617gY(NO3)3·6H2O，並將該溶液逐滴滴加到鈦酸丁酯的醇溶液中，用氨水控制反應初始的pH值為9.5。攪拌兩個小時後，將得到的溶膠在室溫下陳化24h。然後將陳化的幹凝膠在循環水式真空泵中用去離子水和無水乙醇分別過濾、洗滌兩次，在電熱恆溫鼓風乾燥箱中100℃下烘乾後得到Y2O3/TiO2納米複合材料前驅體。用箱形電阻爐分別在600℃、700℃、800℃下焙燒4h，即可得到質量百分比為30wt％的Y2O3/TiO2納米複合材料。
製得產品的XRD圖如圖2所示，圖2為不同焙燒溫度下氧化釔/二氧化鈦納米複合材料的XRD圖。(a-600℃；b-700℃；c-800℃)由圖可知，在600℃和700℃下焙燒，出現了銳鈦礦(Rutile)型TiO2，還有一些非晶態物質。在800℃下焙燒，出現了銳鈦礦(Rutile)型TiO2和金紅石(Anatase)型TiO2，並出現了Y2Ti2O7(Y2O3·2TiO2)相，說明生成了Y2O3/TiO2納米複合材料。製得的Y2O3/TiO2納米複合材料的成分含量如下表1所示。
半導體的光吸收閥值與帶隙具有下式的關係。
g(nm)=1240Eg(eV)]]>TiO2的Eg為3.2eV，從上式中可知，其光響應範圍較窄，只能利用小於387nm波長的紫外光。而從圖3可以看出產品的吸收波長閥值在435nm左右，光響應範圍已經擴展到可見光範圍，根據上述公式可計算出產品的帶隙Eg為2.85eV，這一帶隙值小於TiO2的帶隙值(3.2eV)，因此可以說我們的產品優於TiO2的光催化性能，並有可能成為可見光激發的光催化劑。
表1 不同實施例Y2O3/TiO2納米複合材料中各相的含量(％)
TiO2本身是一種半導體納米催化劑，複合Y2O3後將極大地提高其催化活性，可以作為二惡英類持久性有機汙染物的高效分解催化劑，應用於鋼鐵行業、垃圾焚燒行業等的廢氣中二惡英的減排處理領域。本發明製備的氧化釔/二氧化鈦納米複合材料氧化能力強，催化活性高，無毒，生物、化學、光化學穩定性好等優點，可用於汙水處理、空氣淨化、滅菌消毒、能源材料等領域。
其首先可以應用於燒結和電爐生產排放廢氣中的二惡英類持久性有機汙染物的減排處理上，並可推廣應用於國內的鋼鐵企業、垃圾焚燒行業的廢氣處理。在世界範圍內的鋼鐵行業和垃圾焚燒處理行業中都有廣闊的推廣價值和應用前景。
權利要求
1.一種氧化釔/二氧化鈦納米複合材料，其成分質量百分比為Y2Ti2O70.1～75銳鈦礦型TiO210～45金紅石型TiO210～70。
2.如權利要求1所述的氧化釔/二氧化鈦納米複合材料製備方法，其包括如下步驟(1)鈦鹽溶液的製備按照產品中TiO2的含量量取鈦鹽；並按體積比為1∶1～1∶5分別量取溶劑，將這兩種物質混合，攪拌充分分散均勻，得到鈦鹽溶液；(2)釔鹽溶液的製備按照在產品中氧化釔的含量稱取釔鹽，即氧化釔的攙雜量取從0.01％到90％中的任意一個值；並按摩爾比水/釔鹽＞1的加入量加入去離子水，攪拌分散並使之溶解，得到釔鹽的水溶液；(3)鈦鹽溶液和釔鹽溶液混合製取溶膠將裝有鈦鹽溶液的燒杯置於磁力攪拌儀上攪拌，並將釔鹽溶液逐滴滴加到鈦鹽溶液中；隨著釔鹽水溶液的滴加，鈦酸溶液會劇烈水解生成白色沉澱，水解過程用鹼溶液來控制反應體系的pH值為鹼性，充分反應後，停止攪拌，即得到溶膠；(4)Y2O3/TiO2納米複合材料的製取利用上一步得到的溶膠，在室溫下陳化成為凝膠；然後洗滌，去除殘餘的有機物和其他雜質；將洗滌後的粉體烘乾後即可製得Y2O3/TiO2納米複合材料的前驅體，前驅體經過研磨、焙燒得到Y2O3/TiO2納米複合材料。
3.如權利要求2所述的製備氧化釔/二氧化鈦納米複合材料製備方法，其特徵是，所述的鈦鹽為鈦酸丁酯、鈦酸異丙酯、四氯化鈦、硫酸氧鈦、或硫酸鈦。
4.如權利要求2所述的氧化釔/二氧化鈦納米複合材料製備方法，其特徵是，所述的釔鹽為硝酸釔或氯化釔。
5.如權利要求2所述的氧化釔/二氧化鈦納米複合材料製備方法，其特徵是，所述的鹼溶液為氨水、氫氧化鈉或氫氧化鉀。
6.如權利要求2所述的氧化釔/二氧化鈦納米複合材料製備方法，其特徵是，步驟(4)溶膠在室溫下陳化成為凝膠後洗滌方式為用蒸餾水洗滌過濾至少兩次，再用無水乙醇洗滌、過濾至少一次，去除殘餘的有機物和其他雜質。
7.如權利要求2所述的氧化釔/二氧化鈦納米複合材料製備方法，其特徵是，步驟(4)前驅體經過研磨後在450～800℃下焙燒4～8h得到Y2O3/TiO2納米複合材料。
8.如權利要求2所述的氧化釔/二氧化鈦納米複合材料製備方法，其特徵是，攪拌採用超聲波或磁力攪拌方式。
全文摘要
一種氧化釔/二氧化鈦納米複合材料，其成分質量百分比為Y
文檔編號B01J37/00GK101041129SQ20061002496
公開日2007年9月26日 申請日期2006年3月22日 優先權日2006年3月22日
發明者李鹹偉, 楊華明, 張科, 史蓉蓉, 俞勇梅, 董曉丹 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司, 中南大學