一种用于光催化降解VOCs的稀土元素改性二氧化钛纳米光催化材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于光催化降解VOCs的稀土元素改性二氧化钛纳米光催化材料及其制备方法，该制备方法包括：（1）将醇和酸均匀混合，得到混合溶剂；（2）将钛源分散于所得混合溶剂中并逐滴加入水，得到混合溶液A；（3）再将稀土源加入所得混合溶液A中，得到混合溶液B；（4）将所得混合溶液B在常温下搅拌0.5～5小时，得到溶胶；（5）将所得溶胶经干燥和煅烧，再经研磨，得到稀土元素改性二氧化钛纳米光催化材料。

A Rare Earth Modified Titanium Dioxide Nano-photocatalytic Material for Photocatalytic Degradation of VOCs and Its Preparation Method

The invention relates to a rare earth element modified titanium dioxide nano-photocatalytic material for photocatalytic degradation of VOCs and its preparation method. The preparation method includes: (1) homogeneous mixing of alcohol and acid to obtain mixed solvents; (2) dispersing titanium source in the obtained mixed solvents and adding water drop by drop to obtain mixed solution A; (3) adding rare earth source to the obtained mixed solution A to obtain mixed solution A. Mixed solution B; (4) Mixed solution B was stirred at room temperature for 0.5-5 hours to obtain the sol; (5) The obtained sol was dried and calcined, and then ground to obtain rare earth modified titanium dioxide nano-photocatalytic materials.

【技术实现步骤摘要】
一种用于光催化降解VOCs的稀土元素改性二氧化钛纳米光催化材料及其制备方法
本专利技术涉及一种稀土元素改性二氧化钛纳米光催化材料及其制备方法和其在降解空气中挥发性有机气体污染物的应用，属于气相环境光催化

技术介绍
近年来空气污染问题日趋严重，威胁着人类健康和环境安全。其中，氮氧化物、硫氧化物、挥发性有机污染气体(VOCS)为主要污染物。根据世界卫生组织等机构的定义，VOCs是指沸点在50℃-250℃，室温下饱和蒸汽压超过133.32Pa，在常温下以蒸汽形式存在于空气中的一类有机物，挥发性有机物(VOCs)对人体危害极大，一定浓度的VOCs短时间即可伤害人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统。部分VOCs如苯、甲苯及甲醛已被列为致癌物质。另外，VOCs在氧化性的大气环境中成为形成PM2.5的前体物。因此，如何实现大气环境中低浓度VOCs的降解对保障环境安全、人类健康以及抑制雾霾频发具有重要研究价值(参照文献1，文献2)。在已有VOCs降解技术中，热催化技术需要高温条件、臭氧氧化技术有毒且不稳定、吸附技术不能有效降解VOCs等不足之处限制了它们在VOCs中的应用，而光催化技术具有反应条件温和，能直接利用太阳能，深度矿化污染物以及基本无二次污染等优点成为最有应用前景的绿色环保空气净化技术之一。二氧化钛因具有物理化学性质稳定，低成本、安全以及无毒等优势，成为目前应用最为广泛的商用光催化剂，并已成功应用于水体污染物和固定相气体污染物的降解(参照文献3，4)。与水体污染物和固定相降解相比，实际室内外环境中挥发性气态污染物具有流动快、浓度低、与催化剂接触时间段、面积小等特点，因此，如何利用二氧化钛光催化性能，高效降解VOCs污染气体，具有重要的应用价值。稀土元素是一种具有特殊4f电子结构的过渡态元素用于改性二氧化钛，则可与二氧化钛之间进行电子转移，促进电子空穴对的分离，从而提高材料的光催化性能，另一方面，稀土元素具有上转换发光特性，即在近红外或可见光激发下发射出更高能量的光，故将稀土对TiO2进行改性，可以拓宽TiO2吸光区，提高光能利用率，进一步提升光催化活性(参照文献5,6)。因此，如何利用稀土元素改性二氧化钛光催化材料，提升其对目标污染物的吸附能力，实现在可见光下有效的降解气相目标污染物，在利用光催化技术净化空气方面具有重要的应用价值。参考文献：文献1：FernandezLC,AlvarezRF,Gonzalez-BarcalaFJ,etal.Indooraircontaminantsandtheirimpactonrespiratorypathologies.ArchBronconeumol2013,49,22–27.；文献2：陆思华,白郁华,张广山,李湉湉.大气中挥发性有机化合物(VOCs)的人为来源研究.环境科学学报,2006,05,757-763.；文献3：SubramanianV,Wolf,EKamat,PV.Semiconductor-MetalcompositenanostructurestowhatextentdometalnanoparticlesimprovethephotocatalyticactivityofTiO2films？TheJournalofPhysicalChemistryB2001,105,11439-11446.；文献4：HirakawaT,KamatPV.ChargeseparationandcatalyticactivityofAg@TiO2core-shellcompositeclustersunderUV-irradiation.JournaloftheAmericanChemicalSociety2005,127,3928-3934.；文献5：ProdiL,RampazzoE,RastrelliF,etal.Imagingagentsbasedonlanthanidedopednanoparticles.ChemicalSocietyReviews2015,44,4922-4952.；文献6：TsangMK,BaiG,HaoJ,Stimuliresponsiveupconversionluminescencenanomaterialsandfilmsforvariousapplications.ChemicalSocietyReviews2015,44,1585-1607.。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种稀土元素改性二氧化钛纳米光催化材料及其制备方法，本专利技术的另一目的在于提供一种稀土元素改性二氧化钛纳米光催化材料在低浓度污染气体净化中的应用。第一方面，本专利技术提供了一种稀土元素改性二氧化钛纳米光催化材料的制备方法，包括：(1)将醇和酸均匀混合，得到混合溶剂；(2)将钛源分散于所得混合溶剂中并逐滴加入水，得到混合溶液A；(3)再将稀土源加入所得混合溶液A中，得到混合溶液B；(4)将所得混合溶液B在常温下搅拌0.5～5小时，得到溶胶；(5)将所得溶胶经干燥和煅烧，再经研磨，得到稀土元素改性二氧化钛纳米光催化材料。在本专利技术中，将钛源分散于含有醇和酸的混合溶剂中搅拌10～20min，再以滴加的形式加入一定量的水，得到混合溶液A。其次，再将稀土源加入混合溶液A中进行搅拌(即水解过程)。在水解过程中水可提供氧供体在水解缩聚生成桥氧键-O-，醇在溶剂中起分散的作用，用醇能使稀土源和钛源中金属离子分散的更加均匀，晶型更加完好，酸在溶剂中作为络合剂，即再酸性条件下形成的H3O+会取代(OR)3Ti-OH中的部分烷氧基团(OR)从而于-Ti-OH发生络合反应，形成溶胶。将所得溶胶经干燥过程中由于酸还与醇酯化反应形成凝胶，有模板剂的作用，即诱导产物形成链状或高度交联的网状结构。将所得凝胶再经煅烧处理，最终得到具有高比表面积、粒径尺寸小以及粒径分布均匀等优异性能的稀土元素改性二氧化钛纳米光催化材料。其中主要机理(1)钛源的水解形成溶胶：nTi(OR)4+4nH2O→nTi(OH)4+4nHOR；(2)钛醇盐的缩聚反应：nTi(OH)4→nTiO2+2nH2O。较佳地，所述醇为乙醇、甲醇、异丙醇、乙二醇、正丁醇、正己醇中的至少一种；所述酸为乙酸、丙酸、柠檬酸中的至少一种。较佳地，所述钛源为可水解含钛的化合物，优选异丙醇钛、钛酸四丁酯、四氯化钛中的至少一种。较佳地，所述水、醇和酸的体积比为1：(5～50):(1～20)，优选为1:(10～20):(2～10)，更优选为1:(5～20):(1～8)，最优选为1:(10～15):(2～5)。在水解过程中利用水、醇和酸的混合溶剂，水提供氧供体在水解缩聚生成桥氧键-O-，醇在溶剂中起分散的作用，用醇能使金属离子分散的更加均匀，晶型更加完好，酸在溶剂中作为络合剂，形成溶胶，同时在形成凝胶过程中由于与醇酯化反应形成凝胶，有模板剂的作用。较佳地，所述水的加入速率为0.01～0.5ml/秒，优选为0.05～0.5ml/秒，更优选为0.05～0.1ml/秒。在上述滴加速率范围内有益于制备得到稀土掺杂均匀以及粒径大小分布均匀的二氧化钛颗粒。较佳地，所述稀土源为含有Yb、Er、Tm、Pr、Ho中的至少一种元素的可溶性硝酸盐，优选为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稀土元素改性二氧化钛纳米光催化材料的制备方法，其特征在于，包括：（1）将醇和酸均匀混合，得到混合溶剂；（2）将钛源分散于所得混合溶剂中并逐滴加入水，得到混合溶液A；（3）再将稀土源加入所得混合溶液A中，得到混合溶液B；（4）将所得混合溶液B在常温下搅拌0.5～5小时，得到溶胶；（5）将所得溶胶经干燥和煅烧，再经研磨，得到稀土元素改性二氧化钛纳米光催化材料。

【技术特征摘要】
1.一种稀土元素改性二氧化钛纳米光催化材料的制备方法，其特征在于，包括：（1）将醇和酸均匀混合，得到混合溶剂；（2）将钛源分散于所得混合溶剂中并逐滴加入水，得到混合溶液A；（3）再将稀土源加入所得混合溶液A中，得到混合溶液B；（4）将所得混合溶液B在常温下搅拌0.5～5小时，得到溶胶；（5）将所得溶胶经干燥和煅烧，再经研磨，得到稀土元素改性二氧化钛纳米光催化材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述醇为乙醇、甲醇、异丙醇、乙二醇、正丁醇、正己醇中的至少一种；所述酸为乙酸、丙酸、柠檬酸中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述钛源为可水解含钛的化合物，优选异丙醇钛、钛酸四丁酯、四氯化钛中的至少一种。4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述水、醇和酸的体积比为1：（5～50）:（1～20），优选为1:（10～20）:（2～10），更优选为1:（5～20）:（1～8），最优选为1:（10～15）:（2～5）。5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述水的加入速率为0.01～0.5ml/秒，优选为0.05～0.5ml/秒，更优选为0.05～0.1ml/秒。6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述稀土源为含有Yb、Er、Tm、Pr、Ho中的至少一种元素的可溶性稀土盐，优选为稀土硝酸盐、稀土硝酸盐水合物中的至少一种。7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述钛源和水的摩尔比为1:（3～50）。8.根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述稀土源和钛源的摩尔比为（0.001～0.10）:1，优选为（0.0025～0.015）:1。9.根据权利要求1-8中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙静，饶泽鹏，谢晓峰，王焱，王晓，陆冠宏，代雪萍，曾庆龙，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31