一种ZrO2/TiO2复合光催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种ZrO2/TiO2复合光催化剂及其制备方法与应用，该方法包括以下步骤：(1)将用砂纸打磨清洗好的钛合金工件置于含有纳米氧化锆粉末的碱性电解液中进行等离子体电解氧化处理;(2)再将被处理工件清洗，在硫酸溶液中浸泡，在马弗炉中进行高温煅烧，得ZrO2/TiO2复合光催化剂。将本发明专利技术的ZrO2/TiO2复合光催化剂和亚甲基蓝溶液放入光催化反应器中能催化亚甲基蓝的降解。本发明专利技术的ZrO2/TiO2复合膜层作为光催化剂，由于制备的膜层比表面积大，增强了光催化效果。而且此光催化剂经过重新煅烧可以使失活的催化剂得到再次利用，该方法综合成本相对较低，无环境污染，具有较好的工业应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光催化剂的制备领域，具体涉及一种ZrO2/TiO2复合光催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
目前,用于光催化降解环境污染物的催化剂多为半导体材料,如TiO2、WO3、SnO2、Fe2O3等,其中纳米TiO2光催化技术具有化学性质稳定、高催化活性、成本低、无二次污染等优点，使其在环境污染物的催化治理方面得到广泛应用。TiO2光催化材料的制备方法有很多种，按物质状态一般分为固相法、气相法和液相法三种。固相法制备的纳米颗粒粒径比较大，因此在制备高催化活性的纳米TiO2方面应用较少；气相法制备的纳米TiO2有较高的活性,但所需装置复杂,反应条件要求严格，一般为工业上采用。液相法可以制备出不同晶型、不同粒度的TiO2纳米晶粒，是运用较多的一种制备方法。液相法制备的光催化剂虽然光解效率高,但因TiO2粉末颗粒细小,回收很困难,易造成浪费。现在,有许多人开始探索将TiO2制成膜,负载于硅胶、活性氧化铝、玻璃纤维网、空心陶瓷球、砂子、层状石墨、空心玻璃球等载体上,利用此方法制备的催化剂的光催化效率虽然不如悬浮液型的,但因在实际废水处理中有着很广阔的发展前景，是目前研究最多的TiO2光催化剂的制备方法。这种方法制备的光催化剂避免了催化剂的分离,实现了催化剂与分离的一体化,紫外光穿透深度也得到提高,大大超过了因固定化所产生的传质影响，虽然光解效率有所下降,但为其投入实际应用提供了可能性。等离子体电解氧化技术又称微弧氧化，是一项新兴的表面处理方法,其在特定的电解液中,利用高压放电产生的等离子体强化作用在阀金属（Mg、Al、Ti）基体表面产生一系列物理化学及等离子体化学反应,并形成与基体冶金结合良好的陶瓷膜层。利用此方法在金属表面制得的膜层表面均匀分布着大量类似火山口状的微孔；也可能呈现很深的孔洞，孔洞表面生长着纳米级的氧化物陶瓷颗粒，孔既是放电通道，又是电解液中的氧或氢氧根离子生成氧气的气体通道，也是溶液中的阴阳离子迁移传递进入膜层的途径之一，这种多孔的表面结构有利于等离子体场与固相及气液相界面的传热与物质传递，从而有利于表面温度的控制。由于在金属表面制得的膜层具有工艺简单、膜层生长速率高、重复性好、所制薄膜附着性好等优点，使得等离子体电解氧化成为目前最有应用前景的TiO2薄膜制备技术。为了提高膜层的催化性能，将其它氧化物与TiO2复合，是拓展TiO2膜催化作用的一种有效手段。近年来，有相关报道关于等离子体电解氧化技术制备ZrO2/TiO2双金属复合膜层并对其催化性能进行研究，但是此方法制得的膜层催化效果不明显，不利于投入实际应用。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种ZrO2/TiO2复合光催化剂及其制备方法与应用，该方法是将等离子体电解氧化技术与后续酸化和煅烧的方法结合起来，制得一种比表面积大，催化效果较好的光催化剂。并且此光催化剂使用后经过煅烧可以再生，从而可以进行多次利用。解决了光催化回收使用的问题，为其投入实际应用提供了可能性。此方法制备的催化剂操作简单，成本低，并且符合绿色环保的理念。本专利技术的目的通过下述方案实现。一种ZrO2/TiO2复合光催化剂的制备方法，步骤如下：（1）将用砂纸打磨清洗好的钛合金工件置于含有纳米氧化锆粉末的碱性电解液中进行等离子体电解氧化处理，所述碱性电解液组成为磷酸钠、氢氧化钾、纳米氧化锆粉末和去离子水；最终在钛合金工件表面获得综合性能优异的ZrO2/TiO2金属氧化物复合膜层；（2）将步骤（1）处理好的钛合金工件清洗后，在酸性溶液中浸泡，然后在马弗炉中进行高温煅烧，得ZrO2/TiO2复合光催化剂；所述煅烧的温度为450℃~750℃。优选的，步骤（1）所述纳米氧化锆粉末在碱性电解液中的浓度为2g/L~8g/L。进一步优选的，步骤（1）所述磷酸钠、氢氧化钾、纳米氧化锆粉末在碱性电解液中的浓度分别为10g/L、4g/L、8g/L。优选的，步骤（1）等离子体电解氧化处理实验过程中的电压为280V~400V，反应时间为15~60min。进一步优选的，步骤（1）所述实验过程中的电压为370V，温度为30℃，反应时间为30min。优选的，步骤（2）所述酸性溶液为硫酸溶液；所述浸泡的时间为12~48h，酸性溶液的浓度为1~6mol/L。进一步优选的，步骤（2）所述浸泡的时间为24h，酸性溶液的浓度为2mol/L。优选的，步骤（2）所述煅烧的时间为3~10h。进一步优选的，步骤（2）所述煅烧的时间为5h，煅烧的温度为450℃，550℃，650℃或750℃；所述钛合金工件的膜层面积为3cm2。由以上所述的方法制得的一种ZrO2/TiO2复合光催化剂。以上所述的一种ZrO2/TiO2复合光催化剂在亚甲基蓝溶液降解中的应用，具体应用步骤如下：（1）将ZrO2/TiO2复合光催化剂和浓度为10～15mg/L的亚甲基蓝溶液（MB溶液）一同放入光催化反应器中，先避光磁力搅拌以达到吸附－脱附平衡后,再以高压汞灯作为光源由上而下照射进行催化光解，观察亚甲基蓝的降解率；（2）用高温煅烧的方法使失活的ZrO2/TiO2复合光催化剂再生，探究ZrO2/TiO2复合光催化剂重复利用的次数及效果。优选的，步骤（1）中将ZrO2/TiO2复合光催化剂和50ml浓度为15mg/L的亚甲基蓝溶液混合放入光催化玻璃夹套式反应器中，先避光磁力搅拌30min以达到吸附－脱附平衡后,再以电功率为500w的高压汞灯作为光源由上而下照射，反应开始后，间隔1小时取一次样，反应5小时；实验结果发现，重复2，4，6，8，10次甲基蓝的降解率分别为91.08%，89.95%，89.77%，90.22%，82.00%。优选的，步骤（2）将失活的ZrO2/TiO2复合光催化剂在750℃的条件下煅烧进行再生实验，每次光催化结束后进行煅烧，然后再进行光催化实验，重复10次，亚甲基蓝的降解率仍达82.00%。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：（1）本专利技术用制备的ZrO2/TiO2膜层作为催化剂，由于制备的膜层比表面积大，使光催化效果良好。（2）本专利技术中此光催化剂经过重新煅烧可以使失活的催化剂得到再次利用，该方法综合成本相对较低，无环境污染，具有较好的工业应用前景。附图说明图1为不同煅烧温度下ZrO2/TiO2复合光催化剂的表观形貌；图2为不同煅烧温度下ZrO2/TiO2复合光催化剂的晶相组成；图3为不同煅烧温度下制备的ZrO2/TiO2复合光催化剂降解亚甲基蓝的效果曲线图。具体实施方案下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例11.将Ti-6Al-4V钛合金依次经过400目，1000目，2000目的砂纸打磨，用蒸馏水清洗，然后吹干。2.不锈钢板做阴极，钛合金做阳极。电极距离为30mm。反应器通入冷却水控制反应体系温度30℃，并且通过搅拌系统搅拌以使电解液浓度及温度达到均匀分布。电解液组成为4.0g/L的KOH（购于广州市东红化工厂）和10g/LNa3PO4（购于天津市河东红岩试剂厂），并添加8g/L纳米二氧化锆粉末（阿拉丁试剂），其余为去离子水。等离子体电解氧化电压370V，处理30min本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ZrO2/TiO2复合光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：（1） 将用砂纸打磨清洗好的钛合金工件置于含有纳米氧化锆粉末的碱性电解液中进行等离子体电解氧化处理，所述碱性电解液组成为磷酸钠、氢氧化钾、纳米氧化锆粉末和去离子水；最终在钛合金工件表面获得ZrO2/TiO2金属氧化物复合膜层；（2）将步骤（1）处理好的钛合金工件清洗后，在酸性溶液中浸泡，然后在马弗炉中进行高温煅烧，得ZrO2/TiO2复合光催化剂；所述煅烧的温度为450℃~750℃。

【技术特征摘要】
1.一种ZrO2/TiO2复合光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：（1）将用砂纸打磨清洗好的钛合金工件置于含有纳米氧化锆粉末的碱性电解液中进行等离子体电解氧化处理，所述碱性电解液组成为磷酸钠、氢氧化钾、纳米氧化锆粉末和去离子水；最终在钛合金工件表面获得ZrO2/TiO2金属氧化物复合膜层；（2）将步骤（1）处理好的钛合金工件清洗后，在酸性溶液中浸泡，然后在马弗炉中进行高温煅烧，得ZrO2/TiO2复合光催化剂；所述煅烧的温度为450℃~750℃。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述磷酸钠、氢氧化钾、纳米氧化锆粉末在碱性电解液中的浓度分别为10g/L、4g/L、2g/L~8g/L。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）等离子体电解氧化处理实验过程中的电压为280V~400V，温度为30℃，反应时间为15~60min。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述酸性溶液为硫酸溶液；所述浸泡的时间为12~48h，酸性溶液的浓度为1~6mol/L。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述煅烧的时间为3~10h，煅烧的温度为450℃，550℃，650℃或750℃；所述钛合金工...

【专利技术属性】
技术研发人员：严宗诚，吴明月，陈砺，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44