一种黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法，将有机物、表面活性剂、二氧化钛纳米粒子和溶剂混合配制喷涂原料悬浮液；采用等离子喷涂工艺，将喷涂原料悬浮液喷涂沉积至基体表面，得到所述黑色二氧化钛可见光催化涂层；所述有机物选自聚乙烯基吡咯烷酮和/或聚丙烯酰胺；所述有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比为1：1～10。本发明专利技术通过向喷涂原料中加入有机物，并对有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比，以及喷涂工艺参数的精确控制，首次通过热喷涂工艺获得黑色二氧化钛涂层，制备工艺简单、可控，危险性低且成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法
本专利技术涉及光催化材料的
，具体涉及一种黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法。
技术介绍
工业发展以来随着数次的环境危机，环境污染问题由于威胁整个生态环境和人们生活安全已经成为亟待解决的重大问题之一。人们也尝试过很多途径去处理工业废物，解决环境污染问题，比如焚烧法，填埋法，物理吸附方法等。但这些方法都不能从根本上解决工业污染带来的环境问题甚至会带来二次污染。在这种情况下，清洁能源的概念便被提出。清洁能源广义上指在开发和利用过程中对环境零污染或者只会对环境产生极低污染的能源。清洁能源的大力发展有助于提供充足的能源保障，同时还可以改善环质量，对于经济和社会发展战略意义重大。目前己经开发出的清洁能源主要包括太阳能、海洋能、生物质能、潮汐能、地热能、核能等。其中太阳能作为地球上来源最广泛的清洁能源，其有效的利用将为解决环境污染问题提供巨大的帮助。而光催化技术作为一种新兴的绿色的催化氧化技术在利用太阳能解决环境污染方面显现出极其广阔的应用前景。光催化氧化技术的一个关键材料就是催化剂。因此，人们对催化剂的研究也日趋深入。自从1972年Fujishima等人首次发现，当二氧化钛作为电极时，在紫外光辐射条件下水可以被分解析出氢气的现象之后，二氧化钛材料被广泛的研究，并在光伏电池、传感器以及光催化等领域都表现出了极大的应用潜力。因此基于二氧化钛的材料性能和应用研究也不断发展。然而，二氧化钛的带隙较宽(3.2eV)，其导电性较弱。较宽的带隙导致其电子空穴对的分离与传输能力不足，这对二氧化钛的广泛应用造成了局限。经过十多年对其形貌，结构，组成，催化特性以及制备方法的研究，多种多样的二氧化钛基可见光催化剂被制备研究，如金属和非金属掺杂的二氧化钛、黑色二氧化钛、敏化型二氧化钛，以及复合半导体纳米材料，通过多种多样的方式，多种多样的手段使得这些二氧化钛作为光催化材料在可见光甚至是近红外光范围内的响应明显增强。同时，这些材料得到的途径也多种多样，包括水热法、溶凝胶法、化学剂及物理气相沉积法等。其中，黑色二氧化钛的研究对于减小二氧化钛的间隙以及增强它的可见光响应显示出极大的突破。黑色二氧化钛的系统研究起源于2011年XiaoboChen等人在《Science》杂志上报道了氢化黑色二氧化钛的制备，由此开启了黑色二氧化钛研究的热潮。根据大量的理论研究，大量Ti3+与氧空位的引入造成了黑色二氧化钛极高的催化性能和较好的光响应特性。由于XiaoboChen等人的研究过程中是在高温高压下完成黑色二氧化钛的制备。这种制备方法具有较大的安全隐患和能量消耗，所以一系列具有代表性的相对安全的方法也被报道出来，如常压氢气还原法，铝热还原法，溶液蒸发法等。在铝热还原法制备黑色二氧化钛的研究中还出现了对于提高二氧化钛的吸附和催化性能有极大帮助的核壳结构。但是这些方法还是对设备要求较高，而且操作难度和安全隐患也不能完全避免和解决。因此，寻找新的较为安全简便适合大规模实用的方法制备黑色二氧化钛材料具重要意义。
技术实现思路
本专利技术公开了一种通过等离子喷涂工艺制备黑色二氧化钛可见光催化涂层的方法，操作工艺灵活、安全可控，克服了传统黑色二氧化钛材料准备过程中工艺复杂、成本高、实验精度要求高以及安全隐患大的缺点，同时可以保证纳米二氧化钛在喷涂过程中从锐钛矿相到金红石相的相变减少，保障其良好的催化性能。具体技术方案如下：一种黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法，采用等离子喷涂工艺制备得到，具体为：(1)将有机物、表面活性剂、二氧化钛纳米粒子和溶剂混合，分散均匀后得到喷涂原料悬浮液；所述有机物选自聚乙烯基吡咯烷酮和/或聚丙烯酰胺；所述有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比为1：1～10；(2)采用等离子喷涂工艺，将所述喷涂原料悬浮液喷涂沉积至基体表面，得到所述黑色二氧化钛可见光催化涂层。事实上，本专利技术的专利技术人一直致力于通过热喷涂工艺制备各种氧化物涂层，也已成功通过火焰喷涂制备得到普通二氧化钛(白色)涂层(专利号ZL201110324750.0)的中国专利文献。而在本申请中，专利技术人通过向喷涂原料中加入有机物，并对有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比，以及喷涂工艺参数的精确控制，首次通过热喷涂工艺获得黑色二氧化钛涂层。二氧化钛纳米粒子作为一种纳米粉末不能直接作为热喷涂喂料，一方面，由于纳米颗粒粒径小，质量轻，喷涂过程中易团聚而堵塞送粉管，难以在基材上沉积成致密的涂层，另一方面，纳米粉末比表面积大，粉体活性高，较高的热输入使得晶粒容易长大和发生不可逆的相变而失去原有的性质。本专利技术中将原始纳米粉末制成悬浮液前驱体作为喷涂原料进行涂层制备，避免了传统等离子喷涂工艺中纳米颗粒粒径小，质量轻，喷涂过程中易团聚而堵塞送粉管的问题，此外液相的存在起到了缓冲作用，有效避免了晶粒长大和光催化活性较高的锐钛矿相向催化性能较差的金红石相的转变。优选地，喷涂原料悬浮液中，所述二氧化钛纳米粒子包括锐钛矿相二氧化钛纳米粒子，晶粒大小控制在15～50nm。本专利技术中，聚乙烯基吡咯烷酮和/或聚丙烯酰胺的加入对于等离子喷涂的喂料、涂层的形成和在基体上的有效沉积，以及对黑色二氧化钛的晶相组成都有重要作用。一方面悬浮液作为液相前驱体其稳定性较好不易团聚；另一方面，喷涂过程中，聚乙烯基吡咯烷酮和/或聚丙烯酰胺吸收焰流热量，包覆TiO2颗粒，减少其受热量，降低晶型转变程度，同时有利于形成吸附能力强催化面积大的多孔结构；而且喷涂后，残留下来的聚乙烯基吡咯烷酮和/或聚丙烯酰胺能改善复合涂层的稳定性和力学性能。形成后的涂层不同于以往的光催化材料可以很容易地从催化体系中回收，避免了二次污染的出现。所述喷涂原料悬浮液中，有机物和表面活性剂有利于纳米颗粒在悬浮液中的均匀分散，利于形成稳定的液料体系。步骤(1)中：优选地，所述表面活性剂选自聚乙二醇、椰油酸二乙醇酰胺、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种；所述溶剂选自乙醇-水的混合溶剂，乙醇与水的体积比为0.25～4:1。进一步优选，所述喷涂原料悬浮液中，有机物的质量百分含量为0.5～2.5％，表面活性剂的质量百分比含量为0.1～0.8％，二氧化钛纳米粒子的质量百分含量为2.5～8.0％。再优选：所述有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比为1：2.5～10；所述喷涂原料悬浮液中，有机物的质量百分含量为0.6～2.5％，表面活性剂的质量百分比含量为0.15～0.65％，二氧化钛纳米粒子的质量百分含量为5.6～6.5％。步骤(2)中：优选地：所述等离子喷涂工艺，具体工艺参数为：等离子喷涂的电压为40～65V，电流为400～600A；主气体为氩气，压力为0.7～0.8MPa；次气体为氢气，压力为0.25～0.33MPa；喷涂功率为25～36KW，喷涂距离为7～12mm。进一步优选：所述等离子喷涂的电压为50～60V，电流为500～600A；所述氩气的压力为0.75MPa，氢气的压力为0.3MPa。优选地，所述喷涂原料悬浮液采用蠕动泵送料，进料速度为60～100ml/min；枪头移动速度和位置通过机械手控制，枪头移动速度为200～400mm/s；喷涂遍数为1～4遍。优选地，所述基体选自氧化铝、304不锈钢、316不锈钢、抛光硅片或陶瓷片。所述基体使用前还需进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂工艺制备得到，具体为：(1)将有机物、表面活性剂、二氧化钛纳米粒子和溶剂混合，分散均匀后得到喷涂原料悬浮液；所述有机物选自聚乙烯基吡咯烷酮和/或聚丙烯酰胺；所述有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比为1：1～10；(2)采用等离子喷涂工艺，将所述喷涂原料悬浮液喷涂沉积至基体表面，得到所述黑色二氧化钛可见光催化涂层。

【技术特征摘要】
1.一种黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂工艺制备得到，具体为：(1)将有机物、表面活性剂、二氧化钛纳米粒子和溶剂混合，分散均匀后得到喷涂原料悬浮液；所述有机物选自聚乙烯基吡咯烷酮和/或聚丙烯酰胺；所述有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比为1：1～10；(2)采用等离子喷涂工艺，将所述喷涂原料悬浮液喷涂沉积至基体表面，得到所述黑色二氧化钛可见光催化涂层。2.根据权利要求1所述的黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中：所述表面活性剂选自聚乙二醇、椰油酸二乙醇酰胺、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种；所述二氧化钛纳米粒子包括锐钛矿相二氧化钛纳米粒子，粒径为15～50nm；所述溶剂为乙醇-水混合溶剂，乙醇与水的体积比为0.25～4:1。3.根据权利要求1所述的黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法，其特征在于，所述喷涂原料悬浮液中，有机物的质量百分含量为0.5～2.5％，表面活性剂的质量百分比含量为0.1～0.8％，二氧化钛纳米粒子的质量百分含量为2.5～8.0％。4.根据权利要求1所述的黑色二氧化钛可见光催化涂层的制备方法，其特征在于，所述有机物与二氧化钛纳米粒子的质量比为1：2.5...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟梦娇，黄晶，刘奕，龚永锋，谌宽，所新坤，李华，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33