纳米二氧化钛光催化剂薄膜的制备工艺制造技术

本发明专利技术公开一种纳米二氧化钛薄膜的制备工艺，其采用过氧化氢将零价的金属钛Ti氧化成四价钛TiO2+，TiO2+进一步与过氧化氢络合成水溶性的TiO[(H2O2)]2+黄色络合物，在蒸发除去过量的过氧化氢和氨后，得到黄色络合物胶体，再通过150℃～200℃高压水热反应，将TiO[(H2O2)]2+黄色络合物转变成纯白色的Ti(OH)4水性乳液，然后加入无机酸调节乳液的PH值在2～4范围内，温控水浴温度60~80℃，在持续搅拌3~6小时后可以使Ti(OH)4水性乳液渐渐胶化成纳米二氧化钛水性胶体，用喷枪将纳米二氧化钛水性胶体喷涂在多孔陶瓷板的波浪形表面及圆锥形孔内壁上，经400~550℃烧结形成牢固的纳米二氧化钛薄膜。本发明专利技术反应过程中无废水、废气产生，结晶度高，具有很强的光催化活性，成膜性能好。

【技术实现步骤摘要】
纳米二氧化钛光催化剂薄膜的制备工艺
本专利技术涉及一种纳米二氧化钛光催化剂薄膜的制备工艺，属于光催化

技术介绍
二氧化钛光催化技术应用于环境污染的治理，特别是用来彻底分解空气及水中各种有毒、有害的有机污染物已成为世界各国公认的最有效手段之一。二氧化钛光催化技术是一种高级氧化分解技术。二氧化钛颗粒表面在吸收紫外光后产生电荷分离，生成具有极强氧化能力的活泼自由基。它的光催化活性就是由这些活泼自由基引起，能够非选择性地氧化分解各类有机污染物，其氧化能力远远高于臭氧和过氧化氢。研究表明，光催化分解反应是发生在二氧化钛颗粒的表面，而不是发生在体相中。这就要求二氧化钛光催化剂必须具备高比表面积、高吸附能力、高光吸收能力和高电荷分离能力。采用“纳米技术”是提高二氧化钛光催化效率的首选途径。这是因为纳米二氧化钛具有巨大的比表面积，其表面吸附有机污染物的能力大大增加；同时，由于纳米二氧化钛粒径小，处于表面态的原子数多，光激发产生电子和空穴(e-，h+)的几率大大增加，促使其光催化氧化反应速率大大提高，从而能够把其表面吸附的有机污染物快速地氧化分解为二氧化碳和水等无机物。因此，纳米二氧化钛是一种高效光催化剂。光催化剂在实际使用中通常是需要提供便于其附着的基材，或称载体。载体本身应该具有高比表面积、高吸附能力以及与光催化剂的高亲和能力。目前，常用的光催化剂载体有活性炭毡、活性炭海绵、纸蜂窝、铝蜂窝、泡沫铝、金属丝网等，但是这些载体对于光催化剂的附着力不够强、附着量不够多而且易脱落、使用寿命短。陶瓷由于其本身微孔结构带来的高比表面积以及与二氧化钛的高亲和能力应该是获得高效的优选载体。本专利技术提供一种增效型多孔陶瓷板作为纳米二氧化钛光催化剂薄膜的载体。与泡沫陶瓷和直孔型蜂窝陶瓷相比，其特点是担载光催化剂数量更多、接受光辐照面积更大。光催化剂在载体上的涂复工艺也是获得高效的关键技术，通过喷涂和烧结技术可以在陶瓷表面形成牢固的薄膜，不易脱落、使用寿命长。
技术实现思路
本专利技术提供一种纳米二氧化钛光催化剂薄膜的制备工艺，该制备工艺采用无机合成，不使用有机溶剂，反应过程中无废水、废气产生，是一种洁净制备工艺，二氧化钛的理论收益率高达166%，与其它的专利工艺相比原料成本大大降低；其中纳米二氧化钛水性胶体的颗粒粒径小于10纳米，结晶度高，具有很强的光催化活性，且在增效型多孔陶瓷板上的涂覆性能和成膜性能非常好；制成的高效光催化剂薄膜可以应用在空气和水的净化领域，在紫外光的辐照下能够氧化分解各种有毒、有害的有机污染物，甲醛去除率高且去除时间大大缩短，同时杀菌率高且时间短。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种纳米二氧化钛薄膜的制备工艺，包括以下步骤：步骤一、将金属钛放入玻璃烧杯中，加入过氧化氢水溶液形成混合液，金属钛与过氧化氢的摩尔比为1：8~12；步骤二、将玻璃烧杯置于冰水浴中，冰水浴温度控制在5～15℃之间，搅拌所述混合液物形成中间反应物；步骤三、将一定量的氨水倒入带支管和活塞的烧瓶中，将烧瓶置于热水浴中，水浴温度控制在60℃左右，加热使氨挥发形成氨蒸汽，此氨蒸汽通过支管进入中间反应物中，调节中间反应物的pH值至8~11范围内获得调节后中间反应物，此时金属钛与氨的摩尔比为1：9~15；步骤四、持续搅拌调节后中间反应物3~8小时，直到获得透明的黄色络合物水溶液；步骤五、将黄色络合物水溶液转移至带支管的烧瓶中，放入60℃左右的热水浴中，蒸发除去过量的过氧化氢和氨，得到黄色络合物胶体；步骤六、将黄色络合物胶体倒入高压反应釜中，150℃~200℃水热反应4~8小时，获得纯白色水性乳液；步骤七、将纯白色水性乳液倒回玻璃烧杯中，常温下边搅拌边加入无机酸，调节乳液的pH值至2~4获得酸化后水性乳液；步骤八、将玻璃烧杯放入60～80℃水浴装置中，在持续搅拌3～6小时使酸化后水性乳液渐渐胶化成纳米二氧化钛水性胶体，胶体中二氧化钛的含量为7～10%wt。步骤九、用喷枪将纳米二氧化钛水性胶体喷涂在增效型多孔陶瓷板的波浪形表面及圆锥形孔内壁上，然后在140~160℃温度下烘干。所述喷涂与烘干交替进行重复3～5次循环，每一次循环后需将陶瓷板旋转90°~180°再进行下一次循环；喷涂时喷枪的喷头与增效型多孔陶瓷板的倾角为15°~45°，所述增效型多孔陶瓷板为表面具有若干个平行设置的波峰面和波谷面的陶瓷基板，此波峰面和波谷面交替排列，所述多孔陶瓷板设有若干个圆锥形孔。步骤十、将经步骤九喷涂完毕后的增效型多孔陶瓷板，放入高温鼓风烘箱中进行烧结，烧结温度为400~550℃，烧结时间为1~2小时，然后自然降至室温。从而在增效型多孔陶瓷板波浪形表面及圆锥孔内壁形成纳米二氧化钛光催化剂薄膜。上述技术方案中进一步改进的方案如下：1、上述方案中，所述金属钛为小颗粒海绵钛。2、上述方案中，所述过氧化氢水溶液中过氧化氢含量为30%，比重1.1g/ml。3、上述方案中，所述中速搅拌速率为300~600转/分钟。4、上述方案中，所述氨水含量26%，比重0.9g/ml。5、上述方案中，所述步骤五中蒸发出的氨通入纯水中，可回收再用。6、上述方案中，所述无机酸为稀盐酸、稀硫酸或稀硝酸中的任意一种。7、上述方案中，所述纳米二氧化钛水性胶体中的二氧化钛含量为7～10%wt。8、上述方案中，所述增效型多孔陶瓷板主要材质为堇青石和氧化铝，经模具压制成型，再经过1100～1200℃烧结而成。9、上述方案中，所述增效型多孔陶瓷板基体平面厚度为5~20mm，长50～200mm，宽50～200mm；在增效型多孔陶瓷板上每平方米开有60000~70000个圆锥形透孔，圆锥形透孔的大孔直径在2~4mm之间，小孔直径在1~2mm之间，增效型多孔陶瓷板大孔面的表面呈上下起伏的波浪形，所述波浪的波峰高出基体平面0.5～3mm，波谷低于基体平面0.5～3mm。10、上述方案中，所述喷涂量应控制在每平方米多孔陶瓷板上喷涂3～5公斤纳米二氧化钛水性胶体。11、上述方案中，所述纳米二氧化钛光催化剂薄膜在每平方米多孔陶瓷板表面的附着量在300～400克之间，形成的光催化剂薄膜厚度在20～40微米之间。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点和效果：1.本专利技术纳米二氧化钛光催化剂薄膜的制备工艺，其中的纳米二氧化钛水性胶体反应过程采用无机合成，不使用任何有机溶剂，反应过程中无废水、废气产生，是一种洁净制备工艺，二氧化钛的理论收益率高达166%，与其它的专利工艺相比原料成本大大降低；纳米二氧化钛水性胶体颗粒粒径小于10纳米，结晶度高，具有很强的光催化活性，且在增效型多孔陶瓷板上的涂覆性能和成膜性能非常好；可以制成高效光催化剂薄膜应用在空气和水的净化领域，在紫外光的辐照下可以氧化分解各种有毒、有害的有机污染物，甲醛去除率高且去除时间大大缩短，同时杀菌率高且时间短。2.本专利技术纳米二氧化钛光催化剂薄膜的制备工艺，通过特定的喷涂和烧结的方法，将纳米二氧化钛水性胶体喷涂和烧结在增效型多孔陶瓷板上，从而形成纳米二氧化钛光催化剂薄膜。该增效型多孔陶瓷板除了基体本身具有巨大、粗糙的表面积外,圆锥形透孔可以使其表面积增大数倍，加上波浪形表面再使其表面积增大一至数倍，因此在这种增效型多孔陶瓷板上涂覆的纳米二氧化钛光催化剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米二氧化钛光催化剂薄膜的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、将金属钛放入玻璃烧杯中，加入过氧化氢水溶液形成混合液，金属钛与过氧化氢的摩尔比为1：8~12，所述金属钛为颗粒海绵钛；步骤二、将玻璃烧杯置于冰水浴中，冰水浴温度控制在5~15℃之间，中速搅拌所述混合液形成中间反应物；步骤三、将一定量的氨水倒入带支管和活塞的烧瓶中，将烧瓶置于热水浴中，水浴温度控制在60℃左右，加热使氨挥发形成氨蒸汽，此氨蒸汽通过支管进入中间反应物中，调节中间反应物的pH值至8~11范围内获得调节后中间反应物，此时金属钛与氨的摩尔比为1：9~15；步骤四、持续搅拌调节后中间反应物3~8小时，直到获得透明的黄色络合物水溶液；步骤五、将黄色络合物水溶液转移至带支管的烧瓶中，放入60℃左右的热水浴中，蒸发除去过量的过氧化氢和氨，得到黄色络合物胶体；步骤六、将黄色络合物胶体倒入高压反应釜中，150℃~200℃水热反应4~8小时，获得纯白色水性乳液；步骤七、将纯白色水性乳液倒回玻璃烧杯中，常温下边搅拌边加入无机酸，调节乳液的pH值至2～4获得酸化后水性乳液；步骤八、将玻璃烧杯放入60～80℃水浴装置中，在持续搅拌3～6小时使酸化后水性乳液渐渐胶化成纳米二氧化钛水性胶体；步骤九、用喷枪将纳米二氧化钛水性胶体喷涂在增效型多孔陶瓷板的波浪形表面及圆锥形孔（2）内壁上，然后在140~160℃温度下烘干，所述喷涂与烘干交替进行重复2～4次循环，每一次循环后需将陶瓷板旋转90°~180°再进行下一次循环；喷涂时喷枪的喷头与增效型多孔陶瓷板的倾角为15°~45°，所述增效型多孔陶瓷板为表面具有若干个平行设置的波峰面（3）和波谷面（4）的陶瓷基板（1），此波峰面（3）和波谷面（4）交替排列，所述陶瓷基板（1）设有若干个圆锥形孔（2）；步骤十、将经步骤九喷涂完毕后的增效型多孔陶瓷板，放入高温鼓风烘箱中进行烧结，烧结温度为400~550℃，烧结时间为1~2小时，然后自然降至室温，从而在增效型多孔陶瓷板表面及圆锥孔内壁形成纳米二氧化钛光催化剂薄膜（5）。...

【技术特征摘要】
1.一种纳米二氧化钛光催化剂薄膜的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、将金属钛放入玻璃烧杯中，加入过氧化氢水溶液形成混合液，金属钛与过氧化氢的摩尔比为1：8~12，所述金属钛为颗粒海绵钛；步骤二、将玻璃烧杯置于冰水浴中，冰水浴温度控制在5~15℃之间，中速搅拌所述混合液形成中间反应物；步骤三、将一定量的氨水倒入带支管和活塞的烧瓶中，将烧瓶置于热水浴中，水浴温度控制在60℃左右，加热使氨挥发形成氨蒸汽，此氨蒸汽通过支管进入中间反应物中，调节中间反应物的pH值至8~11范围内获得调节后中间反应物，此时金属钛与氨的摩尔比为1：9~15；步骤四、持续搅拌调节后中间反应物3~8小时，直到获得透明的黄色络合物水溶液；步骤五、将黄色络合物水溶液转移至带支管的烧瓶中，放入60℃左右的热水浴中，蒸发除去过量的过氧化氢和氨，得到黄色络合物胶体；步骤六、将黄色络合物胶体倒入高压反应釜中，150℃~200℃水热反应4~8小时，获得纯白色水性乳液；步骤七、将纯白色水性乳液倒回玻璃烧杯中，常温下边搅拌边加入无机酸，调节乳液的pH值至2～4获得酸化后水性乳液；步骤八、将玻璃烧杯放入60～80℃水浴装置中，再持续搅拌3～6小时使酸化后水性乳液渐渐胶化成纳米二氧化钛水性胶体；步骤九、用喷枪将纳米二氧化钛水性胶体喷涂在增效型多孔陶瓷板的波浪形表面及圆锥形孔（2）内壁上，然后在140~160℃温度下烘干，所述喷涂与烘干交替进行重复2～4次循环，每一次循环后需将陶瓷板旋转90°~180°再进行下一次循环；喷涂时喷枪的喷头与增效型多孔陶瓷板的倾角为15°~45°，所述增效型多孔陶瓷板为表面具有若干个平行设置的波峰面（3）和波谷面（4）的陶瓷基板（1），此波峰面（3）和波谷面（4）交替排列，所述陶瓷基板（1）设有若干个圆锥形孔（2）；步骤十、将经步骤九喷涂完毕后的增效型多孔陶瓷板，放入高温鼓风烘箱中进行烧结，烧结温度为40...

【专利技术属性】
技术研发人员：程黎放，童惠君，
申请(专利权)人：江苏恒智纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32