石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂及制备方法，该制备方法包括以下步骤：在室温条件下，将TiO2颗粒溶解于过氧化氢和氨水的混合溶液中，搅拌至完全澄清后，加入石墨相氮化碳前驱体，产生沉淀，经离心分离、洗净、烘干后，得到固体粉末，将得到的固体粉末在氮气气氛下煅烧，得到石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂。与现有技术相比，本发明专利技术不仅可以在可见光条件下，对水中污染物有降解作用，还可作为涂料工艺生产中的添加剂，运用在高速公路两侧的护墙、建筑物外墙、室内装修等方面，使涂料具有降解环境中VOC，抗菌净化等功能，并且制备工艺简单，适用于工业生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光催化剂材料制备
，尤其是涉及一种石墨相氮化碳(g-C3N4)与纳米二氧化钛(TiO2)复合而成的光催化剂添加剂及其制备方法。
技术介绍
在能量转换和净化环境方面，光催化技术被认为是一种能够有效利用太阳能的绿色技术。二氧化钛(TiO2)作为一种重要的催化剂，具有很多的优点：成本低，易获得，强的物理和化学稳定性等。作为涂料添加剂，二氧化钛(TiO2)更是具有易于水洗再生、耐久，附着力强，不受湿度和共存物影响光催化性能等优点，且二氧化钛(TiO2)具有较高的去除VOC效率与容量。催化过程中产生的羟基自由基可破坏C-O、C-H、C-C、C-N等化学键，从而使有机物可以彻底氧化。从半导体的表面效应、小尺寸效应可知：当二氧化钛(TiO2)的粒径变小，比表面积变大，VOC吸收概率变大；并且随着粒径变小，表面吸附原子数量增加。从提高反应几率和增加光生电子浓度两方面，提高了光催化性能。纳米二氧化钛所具有的量子效应，使其带隙变宽，导电电位变得更负，价带电位更正，使其具有更强的氧化还原能力，提高光催化活性。TOHPE和FURUKAWA公司研发了一种新型路标涂料配方，在保持涂料原有功能的基础上，可有效降低空气中氮氧化物浓度。而纳米二氧化钛作为涂料添加剂，也有很多尚未解决的问题，如如何保证纳米二氧化钛不发生团聚并分散均匀；且二氧化钛的带隙为3.2eV，只能吸收太阳光中的紫外部分，而紫外光只占整个太阳光中的5.6％，太阳光得不到有效利用。德国STO公司成功研制出了在可见光催化即非UV紫外线条件下的乳胶漆，即StocolorClimasan康乃馨生态漆。作为一个带隙为2.7eV的新型无金属聚合半导体，石墨相氮化碳(g-C3N4)，在可见光条件下有响应，且为二维层状材料，具有能带结构易调控的特点。石墨相氮化碳(g-C3N4)可由三聚氰胺或者尿素煅烧得到，廉价易得，稳定，不含金属元素，使它可大规模运用于工业生产中。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备工艺简单、对生产设备要求低、易于产业化应用并且光催化性能优异的石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂及制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂的制备方法，包括以下步骤：在室温条件下，将TiO2颗粒溶解于过氧化氢和氨水的混合溶液中，搅拌至完全澄清后，加入石墨相氮化碳前驱体，产生沉淀，经离心分离、洗净、烘干后，得到固体粉末，将得到的固体粉末在氮气气氛下煅烧，得到石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂。优选地，将TiO2颗粒解于过氧化氢和氨水的混合溶液中，采用150～500r/min的转速匀速搅拌至完全澄清。优选地，所述的洗净是指洗涤至中性。优选地，所述的烘干过程的温度为50～80℃。优选地，该制备方法还包括对加入的石墨相氮化碳前驱体进行预处理的步骤，所述的预处理包括碱化处理、酸化处理或加入制孔剂；所述的碱化处理包括以下步骤：将石墨相氮化碳前驱体浸泡在5mol/L～14mol/L的氨水溶液中，浸泡时间为6～24h，然后用去离子水洗涤至中性，再在烘箱中干燥；所述的酸化处理包括以下步骤：将石墨相氮化碳前驱体浸泡在0.1mol/L～1mol/L的HCl中，或浸泡在0.1mol/L～5mol/L的H3PO4中，浸泡时间为6～24h，然后用去离子水洗涤至中性，再在烘箱中干燥；所述的加入制孔剂包括以下步骤：将制孔剂SiO2纳米颗粒与熔融状态下的石墨相氮化碳前驱体混合均匀，然后真空烘干，所述的SiO2纳米颗粒与石墨相氮化碳前驱体得质量比为0.5～1:1。优选地，酸化或碱化处理过程中，干燥采用的温度为50～80℃。酸化处理或碱化处理，意在对石墨相氮化碳前驱体进行改性，选择氨水作为碱化处理的溶液，是因为氨水呈弱碱性，且可对石墨相氮化碳前驱体掺杂氮元素。优选地，当对加入的石墨相氮化碳前驱体进行加入制孔剂的预处理时，该制备方法还包括将煅烧后制得的石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂用NaOH溶液浸泡蚀刻的步骤。采用NaOH溶液进行浸泡蚀刻，是利用强碱性的NaOH蚀刻SiO2，得到孔状材料。通过对石墨相氮化碳前驱体进行碱化处理、酸化处理或加入制孔剂的预处理，使复合涂料添加剂中的g-C3N4产生多孔结构，并且剥离，材料的多孔化，赋予原来材料崭新的优异性能，扩大了材料的应用范围。孔状材料具有高比表面积、低密度、良好的吸附性能等优点，在光催化过程中，性能得到很大的提升。因为g-C3N4是二维的层状材料，且其带隙可调，g-C3N4的厚度与层数影响着其带隙，电子-空穴转移能力以及载流子分离效率。且层状材料比表面积大，有利于性能的提升。当g-C3N4的厚度减小，其带隙增大，在可见光下对有机物的降解能力明显高；且当g-C3N4的层数为单层时，电子转移和分离效率明显提升，载流子寿命延长，在可见光照耀下，单层g-C3N4的产氢率，降解苯酚和罗丹明B效率都有了很大的提升。优选地，所述的TiO2颗粒的粒径为20～30nm。进一步优选地，所述的TiO2颗粒选自市售的德固赛(Degussa)公司的P25型TiO2。二氧化钛粒径越小，其比表面积越大，活性也越高。当然，当二氧化钛粒径小于7nm后，又会由于量子尺寸效应导致材料的禁带宽度变宽，从而影响对光的利用。因此二氧化钛粒径应在避免量子尺寸效应的情况下，越小越好。而粒度为20～50nm的TiO2颗粒具有较强的吸收紫外光的能力。P25是平均粒径为25nm的锐钛矿晶和金红石晶混合相的二氧化钛，金红石型TiO2和锐钛型TiO2按照一定比例组成的混晶TiO2与纯锐钛TiO2相比光催化作用提高了许多，德固赛(Degussa)生产的P25就是混晶型二氧化钛，具有很好的光催化效果。TiO2光催化活性与材料吸光能力有关，而材料的吸光特性与其颗粒尺寸有关。优选地，所述的石墨相氮化碳前驱体选自三聚氰胺或尿素中的一种。优选地，所述的混合溶液中，过氧化氢和氨水的体积比为5～15:1～5。进一步优选地，所述的过氧化氢和氨水的体积比为24:5。优选地，所述的煅烧的条件为：将固体粉末在氮气气氛下以1～10℃/min的升温速率升温至350～600℃，煅烧2～5h。进一步优选地，煅烧过程中，升温速率为1～2℃/min。进一步优选地，煅烧过程还包括升温至300℃时恒温1h的步骤。采用所述的制备方法制备得到的石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂，该石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂的化学式为g-C3N4/TiO2，TiO2的质量百分比为1～100％，但不包括100％。本专利技术的技术原理为：本专利技术将二氧化钛颗粒搅拌于过氧化氢与氨水的混合溶液中，经过搅拌，溶液由浑浊变澄清。再加入石墨相氮化碳前驱体，再次得到沉淀。然后将溶液洗涤至中性，在烘箱中干燥，得到固体粉末。将固体粉末放入管式炉中，在氮气氛围中煅烧，得到目标产物。本专利技术通过二次溶胶-凝胶法得到固体粉末，通过一步煅烧法得到目标产物。该方法制得的二氧化钛的粒径均匀，分散性好，纯度高，且反应易于控制。且通过一步法煅烧二氧化钛与尿素/三聚氰胺混合物，可直接得到产品，避免二次或多次煅烧。本专利技术的二次凝胶-溶胶法与一步煅烧法与传统方法相比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在室温条件下，将TiO2颗粒溶解于过氧化氢和氨水的混合溶液中，搅拌至完全澄清后，加入石墨相氮化碳前驱体，产生沉淀，经离心分离、洗净、烘干后，得到固体粉末，将得到的固体粉末在氮气气氛下煅烧，得到石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂。

【技术特征摘要】
1.一种石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在室温条件下，将TiO2颗粒溶解于过氧化氢和氨水的混合溶液中，搅拌至完全澄清后，加入石墨相氮化碳前驱体，产生沉淀，经离心分离、洗净、烘干后，得到固体粉末，将得到的固体粉末在氮气气氛下煅烧，得到石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂。2.根据权利要求1所述的石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂的制备方法，其特征在于，还包括对加入的石墨相氮化碳前驱体进行预处理的步骤，所述的预处理包括碱化处理、酸化处理或加入制孔剂；所述的碱化处理包括以下步骤：将石墨相氮化碳前驱体浸泡在5mol/L～14mol/L的氨水溶液中，浸泡时间为6～24h，然后用去离子水洗涤至中性，再在烘箱中干燥；所述的酸化处理包括以下步骤：将石墨相氮化碳前驱体浸泡在0.1mol/L～1mol/L的HCl中，或浸泡在0.1mol/L～5mol/L的H3PO4中，浸泡时间为6～24h，然后用去离子水洗涤至中性，再在烘箱中干燥；所述的加入制孔剂包括以下步骤：将制孔剂SiO2与熔融状态下的石墨相氮化碳前驱体混合均匀，然后真空烘干，所述的SiO2与石墨相氮化碳前驱体得质量比为0.5～1:1。3.根据权利要求2所述的石墨相氮化碳与纳米二氧化钛复合涂料添加剂的制备方法，其特征在于，当...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵宇霖，周凡琪，徐群杰，范金辰，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海;31