專利名稱：用于凈化空氣的納米復(fù)合光催化劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米復(fù)合光催化劑，尤其是用于凈化空氣的納米復(fù)合光催化劑及其制備方法。屬于納米催化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
用于裝飾的大部分材料，如人造板、泡沫塑料、墻紙墻布、地毯地板、油漆涂料等，都能直接或間接釋放有害氣體(如甲醛、苯系物、硫化氫和氨等)；很多生活廢氣，如食物變質(zhì)廢氣、烹飪煙霧、香煙燃?xì)狻⑵囄矚獾?，也含有這些有害氣體；這些無形殺手給人們的身體健康帶來了巨大的威脅，各國科研工作者正在通過多種途徑尋求有效的空氣凈化技術(shù)以求解決這些問題。傳統(tǒng)的過濾、吸附、負(fù)氧離子和臭氧等技術(shù)難以持續(xù)凈化污染物，而消毒劑、紫外燈等技術(shù)又都存在對人體的毒副作用，光催化凈化技術(shù)由于其高效、持久、便利和安全等優(yōu)異特性已經(jīng)成為最有前途的空氣凈化技術(shù)之一。
光催化劑一般都是由具有一定缺陷的半導(dǎo)體材料組成的，而半導(dǎo)體粒子的能帶結(jié)構(gòu)又是由低能的價帶和高能的導(dǎo)帶構(gòu)成的，價帶和導(dǎo)帶之間存在一個禁帶，這個禁帶的寬度一般在3個電子伏特以下。當(dāng)能量大于或等于禁帶寬度的光(hυ≥3ev)照射到半導(dǎo)體時，半導(dǎo)體微粒將吸收光量子的能量，產(chǎn)生電子—空穴對，價帶空穴是很好的氧化劑，導(dǎo)帶電子是很好的還原劑，如果電子—孔穴對能被有效分離并定域在催化劑表面的有效承載位上，它們將可以氧化或還原吸附在催化劑表面的有害物質(zhì)分子，并將其轉(zhuǎn)化為無害的簡單分子。例如甲醛的光催化反應(yīng)機(jī)理為
目前應(yīng)用的光催化劑大多局限于常規(guī)二氧化鈦粉體，這種光催化劑通常只能吸收波長小于385nm的紫外光，而產(chǎn)生的電子—空穴對在遷移時又很容易復(fù)合，如果沒有合適的承載位來俘獲電子—空穴對，能量在幾個毫微秒內(nèi)就會消耗掉。因此，通過摻雜或復(fù)合等手段提高催化劑對可見光的吸收，以及適當(dāng)增加承載位以減少光生電子—空穴對的復(fù)合幾率，是制備寬光區(qū)、高活性的光催化劑的有效途徑。
中國專利00129180.7公布了“一種凈化空氣的光催化劑”，它是在TiO2粉體上負(fù)載金屬態(tài)鉑和鎂、鋰、錳等金屬氧化物制成粉末催化劑，這種催化劑只在紫外光下有活性，且對苯系物和氨的去除不明顯。中國專利02150913.1公布了“新型復(fù)合光催化劑的制備方法”，它是利用硫酸法生產(chǎn)鈦白的中間體偏鈦酸為原料，制備納米級二氧化鈦和氧化鋁的復(fù)合光催化劑，這種催化劑的活性也主要表現(xiàn)在紫外光區(qū)。中國專利02801197公布了“即使在可見光范圍內(nèi)也具有催化活性的光催化劑”，它是用兩種具有異結(jié)面的半導(dǎo)體氧化物組成復(fù)合光催化劑，該催化劑的活性較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服以往技術(shù)的不足，提供一種高效、廣譜型的納米復(fù)合光催化劑及其制備方法。為實現(xiàn)此目的，本發(fā)明通過大量實驗首先發(fā)現(xiàn)了如下制備特點(diǎn)1、通過復(fù)合或摻雜等改性處理，可以改變常規(guī)納米二氧化鈦中光生電子—空穴對的復(fù)合幾率，從而改變電子空穴對的壽命，使光催化劑的活性發(fā)生改變；2、在同樣的制備工藝條件下，向二氧化鈦粉末中復(fù)合不同的氧化物或摻雜不同的金屬或金屬離子，會使光催化劑的活性有較大的改變；3、使用相同的復(fù)合或摻雜物質(zhì)，通過不同的制備工藝，也能獲得不同活性的光催化劑。
在此基礎(chǔ)上通過反復(fù)篩選和評價，發(fā)現(xiàn)用鈦酸丁酯、偏釩酸銨和硫酸鐵銨為主要原料，通過溶膠——凝膠技術(shù)和特殊的加工工藝制備的納米級復(fù)合氧化物催化劑具有很好的物質(zhì)分解能力，具體制備方法為(1)將鈦酸丁酯溶于甲醇中，加入適量醋酸和蒸餾水，制成鈦酸丁酯濃度為0.35～0.55mol/L的溶膠；(2)將偏釩酸銨和硫酸鐵銨分散在甲醇中，加入檸檬酸調(diào)節(jié)pH值在0.5～0.8之間，在20～30℃攪拌30分鐘形成凝膠，其中Fe與V的原子比為100∶24～38。加入適量甲醇將凝膠分散，并在攪拌情況下加入(1)的溶膠中，在20～30℃攪拌30分鐘再次形成凝膠，其中Ti與Fe的原子比為100∶12～28；(3)將(2)中再次形成的凝膠于40℃左右老化20小時，100～110℃烘干，冷卻至室溫后研磨，400～450℃焙燒1小時，即得到平均粒徑為15～25nm的復(fù)合光催化劑。其中的TiO2為銳鈦礦型結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e2O3和V2O5為無定型或微晶型結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的光催化劑具有如下顯著特點(diǎn)1、制備過程簡單，原料成本低廉，重復(fù)性好；2、可方便地用于涂料、薄膜等材料中，并且使用壽命長；3、在紫外光區(qū)有極高的活性，即使在可見光區(qū)也有明顯的活性；4、對空氣中的甲醛、苯系物、氨、二氧化硫、硫化氫和細(xì)菌等都有很高的分解活性。
具體實施例方式
實施例一將100ml鈦酸四丁酯溶于600ml甲醇中，加入40ml醋酸和20ml蒸餾水，制成濃度為0.385mol/L鈦酸丁酯的溶膠備用；另將2克偏釩酸銨和25克鐵銨礬分散在50ml甲醇中，加入摩爾比為1∶2的檸檬酸與醋酸混和液10ml，用濃硝酸調(diào)節(jié)pH值為0.8，常溫下攪拌30分鐘形成凝膠。用30ml甲醇將凝膠分散，并在攪拌情況下加入前面的溶膠中，繼續(xù)攪拌30分鐘再次形成凝膠，將此凝膠于40℃左右老化20小時，100～110℃烘干，冷卻至室溫后研磨，400～450℃焙燒1小時，即得到平均粒徑為15～25nm的復(fù)合光催化劑。
實施例二將原料鈦酸四丁酯、醋酸和蒸餾水溶于甲醇中，制成鈦溶膠，其中鈦酸四丁酯、醋酸和蒸餾水的濃度分別為0.35，1.0和1.5mol/L。將偏釩酸銨和鐵銨礬等原料按金屬離子∶有機(jī)混酸∶甲醇摩爾比1∶3∶28混合，F(xiàn)e與V的原子比為4∶1，有機(jī)混酸中檸檬酸與醋酸摩爾比為1∶2。用濃硝酸調(diào)節(jié)pH值為0.6，常溫攪拌形成凝膠。用甲醇將凝膠分散，其中甲醇與金屬離子的摩爾比為8∶1。將此溶液滴入鈦溶膠中，Ti與Fe的原子比為100∶28，繼續(xù)攪拌再次形成凝膠，將此凝膠于40℃左右老化20小時，100～110℃烘干，研磨后，400℃焙燒2小時，即得到平均粒徑為15～25nm的復(fù)合光催化劑。
實施例三將原料鈦酸四丁酯、醋酸和蒸餾水溶于甲醇中，制成鈦溶膠，其中鈦酸四丁酯、醋酸和蒸餾水的濃度分別為0.4，1.2和1.5mol/L。將偏釩酸銨和鐵銨礬等原料按金屬離子∶有機(jī)混酸∶甲醇摩爾比1∶3∶28混合，F(xiàn)e與V的原子比為100∶30，有機(jī)混酸中檸檬酸與醋酸摩爾比為1∶2。用濃硝酸調(diào)節(jié)pH值為0.6，常溫攪拌形成凝膠。用甲醇將凝膠分散，其中甲醇與金屬離子的摩爾比為8∶1。將此溶液滴入鈦溶膠中，Ti與Fe的原子比為100∶25，繼續(xù)攪拌再次形成凝膠，將此凝膠于40℃左右老化20小時，100～110℃烘干，研磨后，400℃焙燒2小時，即得到平均粒徑為15～25nm的復(fù)合光催化劑。
實施例四將原料鈦酸四丁酯、醋酸和蒸餾水溶于甲醇中，制成鈦溶膠，其中鈦酸四丁酯、醋酸和蒸餾水的濃度分別為0.42，1.0和1.8mol/L。將偏釩酸銨和鐵銨礬等原料按金屬離子∶有機(jī)混酸∶甲醇摩爾比1∶3∶28混合，F(xiàn)e與V的原子比為100∶35，有機(jī)混酸中檸檬酸與醋酸摩爾比為1∶2。用濃硝酸調(diào)節(jié)pH值為0.6，常溫攪拌形成凝膠。用甲醇將凝膠分散，其中甲醇與金屬離子的摩爾比為8∶1。將此溶液滴入鈦溶膠中，Ti與Fe的原子比為100∶20，繼續(xù)攪拌再次形成凝膠，將此凝膠于40℃左右老化20小時，100～110℃烘干，研磨后，400℃焙燒2小時，即得到平均粒徑為15～25nm的復(fù)合光催化劑。
實施例五將原料鈦酸四丁酯、醋酸和蒸餾水溶于甲醇中，制成鈦溶膠，其中鈦酸四丁酯、醋酸和蒸餾水的濃度分別為0.45，1.5和2.5mol/L。將偏釩酸銨和鐵銨礬等原料按金屬離子∶有機(jī)混酸∶甲醇摩爾比1∶3∶28混合，F(xiàn)e與V的原子比為100∶38，有機(jī)混酸中檸檬酸與醋酸摩爾比為1∶2。用濃硝酸調(diào)節(jié)pH值為0.6，常溫攪拌形成凝膠。用甲醇將凝膠分散，其中甲醇與金屬離子的摩爾比為8∶1。將此溶液滴入鈦溶膠中，Ti與Fe的原子比為100∶15，繼續(xù)攪拌再次形成凝膠，將此凝膠于40℃左右老化20小時，100～110℃烘干，研磨后，400℃焙燒2小時，即得到平均粒徑為15～25nm的復(fù)合光催化劑。
權(quán)利要求
1.一種用于凈化空氣的納米復(fù)合光催化劑，其特征是由TiO2(銳鈦礦型)、Fe2O3和V2O5組成，其中Ti與Fe的原子比為100∶12～28，F(xiàn)e與V的原子比為100∶24～38，F(xiàn)e2O3和V2O5以無定型或微晶狀態(tài)存在，平均粒徑為15～25nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合光催化劑，其特征在于該催化劑在光照的情況下可以有效分解空氣中的甲醛、苯系物、硫化氫和氨等有害氣體，即使在可見光區(qū)也有較好的光催化性能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米復(fù)合光催化劑，其制備方法包含以下特征將鈦酸四丁酯溶于甲醇中，加入適量醋酸和蒸餾水，制成鈦酸丁酯的溶膠；將偏釩酸銨和硫酸鐵銨分散在甲醇中，加入檸檬酸調(diào)節(jié)pH值在0.5～0.8之間，在20～30℃攪拌30分鐘形成凝膠，其中Fe與V的原子比為100∶24～38。加入適量甲醇將凝膠分散，并在攪拌情況下加入上述溶膠中，在20～30℃下攪拌30分鐘再次形成凝膠，其中Ti與Fe的原子比為100∶12～28；將再次形成的凝膠于40℃左右老化20小時，100～110℃烘干，冷卻至室溫后研磨30分鐘，400～450℃焙燒1小時，即得到平均粒徑為15～25nm的復(fù)合光催化劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于凈化空氣的納米復(fù)合光催化劑，其特征是由TiO
文檔編號B01J37/03GK1618516SQ20041008024
公開日2005年5月25日 申請日期2004年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月28日
發(fā)明者周考文 申請人:北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院