一种多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料，该多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料中，二氧化钛的粒径为30～100nm，二氧化硅包覆层的厚度为5～15nm，二氧化硅上含介孔，孔径为2nm～3nm。本发明专利技术还公开了该光催化材料的制备方法，该制备方法简单、易于实施、生产成本低，得到的粉末光催化材料能够降解有机无机小分子气体及有机燃料而不降解大分子的染料，并对负载的有机基底没有光腐蚀性。

Nano powder photocatalytic material with porous silica dioxide coating titanium dioxide and preparation method thereof

The invention discloses a nano powder photocatalyst porous silica coated titania nanometer powder, photocatalytic material of the porous silica coated titanium dioxide, titanium dioxide particle size is 30 ~ 100nm, the silicon dioxide coating layer thickness is 5 ~ 15nm, two oxygen silicon containing mesoporous diameter is 2nm ~ 3nm. The invention also discloses a preparation method of the photocatalytic materials, the preparation method is simple and easy to implement, low production cost, the powder photocatalytic material can degrade organic inorganic molecules and organic fuel gas without degradation of macromolecular dyes, and light is not corrosive to the organic load of bottom base.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光催化材料领域。更具体地，涉及一种多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料及其制备方法。
技术介绍
随着工业化和城市化的发展，大气污染已成为主要的环境危害之一。氮氧化物是大气污染的主要组成部分，其主要来源于化石能源的燃烧；氮氧化物会造成一系列大气环境问题，如雾霾、光化学烟雾、酸雨等等。因此污染气体的治理引起了广大科研人员和相关产业界的关注。然而现行的催化还原(SCR)和非催化还原(SNCR)去除氮氧化物的方法都只是相应的工业去除方案。对于不固定污染源大气中PPB级的污染源，特别是针对城市中汽车燃烧化石能源每天排放出的氮氧化物，无论是SCR还是SNCR都不是很好的解决方案。半导体光催化做为一种绿色技术，可以将太阳能转化为化学能进一步降解大气中ppb级别的污染气体，这一技术引起了许多研究的关注。TiO2是典型的能实现光能-电能和光能-化学能转换的光催化材料，是一种能够利用太阳能实现有机物降解、空气净化、自清洁、抗菌等综合功能的节能、环保涂层材料，通过掺杂、复合还可以有很好的电学性能。除此之外二氧化钛还具有光稳定性好、较强的光氧化能力、无生物毒性、矿藏丰富等优点。尽管基于二氧化钛的半导体光催化材料因为其在环境和能源领域应用价值受到了相关研究者的广泛重视，然而大多数情况下，TiO2的光催化反应依赖于表面的·OH氧化反应，这是一个没有选择性的反应过程，不管是目标有机污染物还是有机基底材料，只要与其接触都会没有选择地被降解掉，这会让使用者有所顾忌，从而限制其应用范围。以涂料为例，涂料中通常同时存在挥发性有机小分子物质(VOC)，和一些非挥发性有用的有机高分子材料两类有机物。如果在涂料生产中引入TiO2，对VOC的排放会有很好的抑制作用，但是由于其没有选择性的氧化反应，也会破坏涂料中非挥发性的有用的高分子有机物质。因此，赋予二氧化钛半导体光催化过程以选择性，无疑将极大的拓展TiO2光催化的应用领域。已有的研究中，有用磷酸铁或羟基磷灰石包覆纳米二氧化钛粉末的相关研究，但这些方法制备工艺依然较为繁琐，从而成本相应的提高了。例如，采用羟基磷灰石包覆需要通过水热合成，难以工业化生产；采用磷酸铁包覆需要惰性气体保护热解处理，并且制备的材料为淡黄色，限制了材料的使用范围。现有的而技术中，有以葡萄糖为模板，通过溶胶-凝胶的方法将SiO2涂敷在葡萄糖修饰的TiO2表面，然后通过高温烧结的方法去掉葡萄糖，形成TiO2@SiO2复合纳米结构；还有通过自模板的方法制备得到TiO2@SiO2复合纳米结构，但这种结构稳定性差，在烧结过程中会塌陷。这些基于模板辅助多步合成方法得到的TiO2@SiO2复合纳米结构尺寸一般都不均匀，很少有单分散体系，从而影响产品的光催化性能，而且制备过程繁琐，且一般还要辅以去除模板的过程，产量低，从而很难有实际应用价值。因此，针对以上问题，需要提供一种新的制备二氧化钛的纳米粉末光催化材料及其方法。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于提供一种多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料。本专利技术的第二个目的在于提供一种多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料的制备方法。用以解决现有二氧化钛光催化材料不具有尺寸选择性、结构不稳定且不规整以及对有机膜会造成腐蚀的问题。该方法步骤简单、易于实施、生产成本低，且制备得到的纳米粉末光催化材料结构尺寸均匀，介孔大小均一，颗粒比表面积高，光催化性能好，对氮氧化物等小分子有害气体有很好的降解性能，能有效的去除空气中的NOx、VOCs等有害气体，而不降解大分子物质，同时对小分子有机染料，如亚甲基蓝等具有也具有快速的降解效果。此外，该光催化材料具有优异的防止有机膜被腐蚀的作用。为达到上述第一个目的，本专利技术采用下述技术方案：一种多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料，所述多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料中，二氧化钛的粒径为30～100nm，二氧化硅包覆层的厚度为5～15nm，二氧化硅上含介孔，孔径为2nm～3nm。根据本专利技术的优选实施方式，所述多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料中，二氧化硅的含量占该光催化材料总质量的5％～15％。为达到上述第二个目的，本专利技术采用下述技术方案：一种多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：1)将纳米二氧化钛分散于乙醇水溶液中，再加入表面活性剂和碱性物质，搅拌，得混合均匀的混合液；2)向步骤1)所得混合液中加入硅酸四乙酯，在30～70℃温度下搅拌反应1～3h，其中，每升混合液中添加50～100mL的硅酸四乙酯；3)将步骤2)反应后所得反应液进行离心过滤、洗涤、在500～700℃温度下煅烧2～4h后得到多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料。本专利技术制备方法得到的光催化材料的结构为介孔二氧化硅致密包覆纳米二氧化钛，该结构致密，稳定性好，且尺寸均匀。根据本专利技术的优选实施方式，步骤1)中，所述混合液的pH为9～10，此时有助于改善得到的材料的结构致密性及尺寸均匀度；其中，混合液的pH值的大小是通过步骤1)中碱性物质的加入量来调控。本专利技术制备过程中发现，得到的光催化材料的形貌对混合液的pH值的变化很敏感。混合液pH值过大或过小，都无法很好的得到尺寸均一的粉末光催化材料、且二氧化硅表面的介孔大小分布不均匀。更优选地，所述混合液的pH为9，此时得的光催化材料结构致密性更好，尺寸更均匀。根据本专利技术的优选实施方式，步骤1)中，所述混合液中纳米二氧化钛的含量为50～100g/L，表面活性剂的含量为5～10g/L。表面活性剂的添加量过高，会造成浪费，添加量过低，则无法很好的起到改善表面活性的作用，得到的材料表面的介孔大小以及形态规整性均不好。示例的表面活性剂选自十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和聚乙烯吡咯烷酮中的而一种；优选为十六烷基三甲基溴化铵，此时更有助于得到尺寸均匀、且包覆层介孔均匀的纳米粉末光催化材料。根据本专利技术的优选实施方式，步骤1)中，所述碱性物质选自氨水、碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠和尿素中的一种或几种。碱性物质一方面可调节混合液的pH，将混合液的pH控制在合理的范围，另一方面，碱性物质的存在能促进硅酸四乙酯的水解，从而使得到的纳米粉末光催化材料的尺寸更均匀。更优选地，所述碱性物质选自氨水或氢氧化钠。根据本专利技术的优选实施方式，步骤2)中，所述硅酸四乙酯与纳米二氧化钛的摩尔比为1:500～1:10。在光催化材料的制备过程中，硅酸四乙酯与纳米二氧化钛的添加量直接影响产品的结构及光催化性能。根据本专利技术的优选实施方式，步骤3)中，所述煅烧的温度为520～560℃，煅烧时间为2～3h。在此煅烧条件下，能更有效的去除表面活性剂、获得高比表面积、尺寸均匀、结构稳定的光催化材料。稳定的光催化材料。本专利技术中的纳米二氧化钛可为常规的量产化的商购产品。根据本专利技术的优选实施方式，步骤1)中，所述二氧化钛的粒径为30～100nm。二氧化钛颗粒具有较好的光催化性能。根据本专利技术的优选实施方式，步骤1)中，加入表面活性剂后，可超声分散得到均一分散液，再在搅拌状态下加入碱性物质。本专利技术中的多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料可较好的应用于光催化降解空气环境中的VOCs、NOx。由于其表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料，其特征在于，所述多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料中，二氧化钛的粒径为30～100nm，二氧化硅包覆层的厚度为5～15nm，二氧化硅上含介孔，孔径为2nm～3nm。

【技术特征摘要】
1.一种多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料，其特征在于，所述多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料中，二氧化钛的粒径为30～100nm，二氧化硅包覆层的厚度为5～15nm，二氧化硅上含介孔，孔径为2nm～3nm。2.如权利要求1所述的多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：1)将纳米二氧化钛分散于乙醇水溶液中，再加入表面活性剂和碱性物质，搅拌，得混合均匀的混合液；2)向步骤1)所得混合液中加入硅酸四乙酯，在30～70℃温度下搅拌反应1～3h，其中，每升混合液中添加50～100mL的硅酸四乙酯；3)将步骤2)反应后所得反应液进行离心过滤、洗涤、在500～700℃温度下煅烧2～4h后得到多孔二氧化硅包覆二氧化钛的纳米粉末光催化材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：只金芳，宋乐，吴良专，孙东峰，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11