一种高吸光性能的多孔TiO2空心球及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高吸光性能的多孔TiO2空心球及其制备方法，属于光催化技术领域。本发明专利技术可控制SiO2内核的尺寸和SiO2与钛前体的比例制得不同壁厚和直径的TiO2实心球，经后续蚀刻可制得不同壁厚和直径的TiO2空心球，形貌完整且均匀性良好，空心内外表面更明显的延伸的片状结构。同时在成孔剂的作用下，在材料表面留下空隙，制备得到具有丰富孔隙结构的多孔TiO2空心球，吸光性能高，且提高了材料的比表面积，而且有利于污染物在催化剂表面和内部的传质，实现紫外光下对空气中的VOCs进行高效降解，符合室内和工业空气中气体污染净化的实际要求，可广泛应用于工业和室内空气净化。

A Porous Titanium Dioxide Hollow Sphere with High Absorbing Property and Its Preparation Method

The invention discloses a porous titanium dioxide hollow sphere with high absorptivity and a preparation method thereof, which belongs to the field of photocatalytic technology. The solid titanium dioxide spheres with different wall thickness and diameter can be prepared by controlling the size of SiO 2 core and the ratio of SiO 2 to titanium precursor. The hollow titanium dioxide spheres with different wall thickness and diameter can be prepared by subsequent etching. The hollow titanium dioxide spheres have complete morphology and good uniformity, and the inner and outer surfaces of the hollow spheres have more obvious extended sheet structure. At the same time, porous titanium dioxide hollow spheres with abundant porous structure were prepared by leaving voids on the surface of the material under the action of pore-forming agent, which has high absorbability and improved the specific surface area of the material. It is also conducive to the mass transfer of pollutants on the surface and inside of the catalyst, and to the efficient degradation of VOCs in the air under ultraviolet light, which conforms to the purification of gas pollution in indoor and industrial air. The practical requirements can be widely used in industrial and indoor air purification.

【技术实现步骤摘要】
一种高吸光性能的多孔TiO2空心球及其制备方法
本专利技术属于光催化技术，具体涉及一种高吸光性能的多孔TiO2空心球及其制备方法。
技术介绍
挥发性有机物(volatileorganiccompounds，VOCs)是形成臭氧(O3)和细颗粒物(PM2.5)污染的重要前体物，也是我国“2016~2020”期间大气污染控制的重点。TiO2是一种N型半导体氧化物，TiO2粒子的能带结构是由一个充满电子的低能价带(VB)和一个空的高能导带(CB)构成的，它们之间由禁带分开。当TiO2粒子受到能量(E)大于或等于禁带宽度(Eg)的光照时，价带中的电子会吸收光子的能量，越过禁带进入导带，从而在导带产生自由电子，同时在价带产生空穴，形成电子—空穴对。由于半导体的能带间缺少连续区域，所产生的电子—空穴对的寿命较长，在电场作用下分离并迁移到粒子表面。纳米TiO2的光催化作用主要依赖于光生空穴的强氧化能力，可夺取半导体纳米粒子表面有机物或溶液中的电子，使原本不吸收光的物质都被活化氧化，将其表面吸附的OH-和H2O分子氧化成·OH，再由·OH无选择地将有机物氧化，最终降解为CO2和H2O等简单的无机物。VOCs降解过程可用下式表达：以TiO2为代表的光催化技术具有稳定廉价、绿色无毒等优点，在治理VOCs方面极具应用价值。然而，目前常用的TiO2纳米颗粒光催化材料吸光能力不足，限制其高效矿化污染物。为实现VOCs的高效降解，需要开发出具有更高光吸收性能的TiO2光催化材料。
技术实现思路
为弥补现有技术存在的上述不足，本专利技术提供了一种高吸光性能的多孔TiO2空心球的制备方法。本专利技术方法制备的材料同时具备空心结构和延伸的纳米片状结构，显著提高了材料的光子吸收效率；同时，该材料具有丰富的孔隙和较高的比表面积，有利于污染物在催化剂表面和内部的传质，可高效吸附-光催化降解VOCs。本专利技术的第一个目的是提供一种TiO2空心球的制备方法，所述方法包括：(1)SiO2与浓氨水、成孔剂、钛前体在溶剂中混合均匀得到混合液，然后分离得到固体，酸洗，得到TiO2包覆SiO2的多孔TiO2实心球；其中SiO2在混合液中的质量浓度为4.5-15g/L；(2)将步骤(1)中的多孔TiO2实心球置于碱溶液中反应，除去SiO2，分离得到固体，酸洗、煅烧，即得具有多孔结构的TiO2空心球。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(1)中的钛前体在混合液中的摩尔浓度为0.01～0.5mol/L。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(1)中的成孔剂包括：十二胺、十六胺、邻苯二胺、间苯二胺等具有长链结构的胺类有机物。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(1)中的钛前体包括：钛酸异丙酯、钛酸四丁酯、四氯化钛等可水解获得TiO2前体物质的药剂。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(1)中的成孔剂在混合液中的质量浓度为8～25g/L。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(1)中的氨水在混合液中的质量浓度为2～10g/L。在本专利技术的一种实施方式中，所述混合液可以是先将SiO2与溶剂、成孔剂和浓氨水混合，形成浓度为5～15g/L的SiO2分散液，再加入钛前体，形成0.01～0.5mol/L的钛前体溶液，反应完全后分离得到固体，即为前体物质SiO2@TiO2/十二胺固体；然后酸洗除去剩余的成孔剂，得到多孔TiO2实心球。在本专利技术的一种实施方式中，加入钛源后搅拌1～6h，使得反应完全。在本专利技术的一种实施方式中，所述酸洗是利用乙醇-盐酸溶液进行洗脱，其中乙醇-盐酸溶液与固体的质量比为5～150：1。在本专利技术的一种实施方式中，盐酸可以为1mol/L-12mol/L的盐酸。在本专利技术的一种实施方式中，所述酸洗重复操作1～7次，去除成孔剂十二胺，使材料具有丰富的多孔结构。在本专利技术的一种实施方式中，酸洗后的固体水洗至pH为6～8，干燥即得孔TiO2实心球。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(2)中的碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、…在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(2)中的碱溶液的浓度为1～5mol/L。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(2)中的TiO2实心球在碱溶液中的质量浓度为10～50g/L。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(2)中的反应是在60～90℃下进行的。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(2)中反应的时间为2～6h。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(2)中的酸洗是在0.05～0.5mol/L的酸溶液中进行的。其中酸包括盐酸、硝酸、磷酸等。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(2)中酸洗时固体在酸溶液中的质量浓度为0.5～2g/L。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(2)中的煅烧是在300～500℃条件下进行的。在本专利技术的一种实施方式中，所述方法具体包括：(1)多孔TiO2实心球的合成：取SiO2与无水乙醇、十二胺和浓氨水混合，形成浓度为5～15g/L的分散液。再加入钛酸异丙酯，形成0.01～0.5mol/L的钛酸异丙酯乙醇溶液，继续搅拌1～6h，离心或过滤，将所得固体自然风干或烘干，制得前体物质SiO2@TiO2/十二胺固体；取该固体加入到乙醇-盐酸溶液中搅拌反应1～6h，重复酸洗多次，去除成孔剂十二胺，使材料具有丰富的多孔结构；然后水洗至pH为6～8，干燥，制得TiO2包覆SiO2的多孔TiO2实心球；(2)多孔TiO2空心球的合成：取(1)中所得材料分散于1～5mol/L的NaOH溶液中形成浓度为10～50g/L的混合物，并于60～90℃下搅拌2～6小时，冷却至室温后，用水洗至pH值为6～8，分离得到前体物质三钛酸钠(Na2Ti3O7)空心球；取(4)中所得前体物质三钛酸钠(Na2Ti3O7)空心球加入浓度为0.05～0.5mol/L的盐酸或硝酸溶液中，形成浓度为0.5～2g/L的悬浊液，搅拌12～24h，水洗至中性，分离得到前体物质钛酸(H2Ti3O7)；置于300～500℃马弗炉中煅烧1～5h，即可得到多孔TiO2空心球。本专利技术的第二个目的是提供一种TiO2空心球的制备方法，所述方法包括：(1)SiO2与浓氨水、钛前体在溶剂中混合均匀得到混合液，然后分离得到固体，酸洗，得到TiO2包覆SiO2的TiO2实心球；其中SiO2在混合液中的质量浓度为4.5-15g/L，钛前体在混合液中的摩尔浓度为0.01～0.5mol/L；(2)将步骤(1)中的TiO2实心球置于碱溶液中反应，除去SiO2，分离得到固体，酸洗、煅烧，即得TiO2空心球。本专利技术的第三个目的是提供一种TiO2空心球，所述TiO2空心球是利用上述方法制备得到的。本专利技术的第四个目的是提供一种涂料或建筑材料，所述涂料或建筑材料中包含上述的TiO2空心球。本专利技术的第五个目的是提供一种净化器，所述净化器中包含上述的TiO2空心球。本专利技术的第六个目的是提供一种用于降解VOCs的装置，所述装置包括配气罐、光催化反应室和气相色谱仪，所述光催化反应室中包含上述的TiO2空心球。本专利技术的第七个目的是提供一种降解VOCs方法，所述方法是利用上述的TiO2空心球，或者上述的涂料或建筑材料，或者上述的净化器，或者上述的降解VOCs的装置。本专利技术的第八个目的是将上述的TiO2空心球或者上述的涂料应用于空气净化领域或绿色建筑材料领域中。本专利技术所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔TiO2空心球的制备方法，其特征在于，所述方法包括：(1)SiO2与浓氨水、成孔剂、钛前体在溶剂中混合均匀得到混合液，然后分离得到固体，酸洗，得到TiO2包覆SiO2的多孔TiO2实心球；其中SiO2在混合液中的质量浓度为4.5‑15g/L；(2)将步骤(1)中的多孔TiO2实心球置于碱溶液中反应，除去SiO2，分离得到固体，酸洗、煅烧，即得多孔TiO2空心球。

【技术特征摘要】
1.一种多孔TiO2空心球的制备方法，其特征在于，所述方法包括：(1)SiO2与浓氨水、成孔剂、钛前体在溶剂中混合均匀得到混合液，然后分离得到固体，酸洗，得到TiO2包覆SiO2的多孔TiO2实心球；其中SiO2在混合液中的质量浓度为4.5-15g/L；(2)将步骤(1)中的多孔TiO2实心球置于碱溶液中反应，除去SiO2，分离得到固体，酸洗、煅烧，即得多孔TiO2空心球。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中钛前体在混合液中的摩尔浓度为0.01～0.5mol/L。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的成孔剂在混合液中的质量浓度为8～25g/L。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的氨水在混合液中的质量浓度为2～10g/L。5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的TiO2实心球在碱溶液中的质量浓度为10～50g/L。6.一种T...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕金泽，邵俊伟，李激，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32