产生自由基并转化为负离子的光催化材料制造技术

一种产生自由基并转化为负离子的光催化材料及其制备方法，其光催化材料，由一种或以上低价稀土的硝酸盐、碳酸盐或氯化物和一种或以上高价稀土的氧化物或氢氧化物组成作为材料主相，经离子交换和插层反应与具有层状纳米结构物质组装成。该制备方法是将层状纳米结构物质钠基蒙脱石与水按１∶３的比混合均匀、搅拌，静置，使其膨胀长大成胶体溶液；将低价和高价稀土按（０．４～１）∶１的比例配成高价／低价复合稀土；将胶体溶液与制成溶液的高价／低价复合稀土在反应釜中反应，经离子交换将层间钠离子替换为稀土离子或稀土络离子，得到胶状产品，或经压滤、干燥得到粉末状产品。该材料作为添加剂用于涂料、纺织品、建筑材料等产品以产生负离子和净化空气、抗菌等作用。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种健康材料及其制备方法，具体涉及一种能在紫外、可见光和微弱光等多波段范围内高效产生自由基，并将自由基转化为负离子的光催化材料及其制备方法。该材料可作为添加剂用于涂料、纺织品、建筑材料等一系列产品以产生负离子和净化空气、抗菌等健康功能。
技术介绍
近年来人类生活环境的污染状况不断恶化，特别是由于某些室内建材和生活用品造成的环境污染，使室内的有害物质含量比室外高10-100倍，对人类的健康构成巨大的威胁。自1972年纳米TiO2的光催化效应被揭示，利用纳米TiO2光催化产生的自由基用于抗菌、空气净化和水净化等种种用途，被认为是环境净化工程领域的一场革命。然而纳米TiO2只在紫外光条件下具有良好的光催化效应，目前的研究焦点是在可见光条件下催化产生自由基，但应用效果还没有达到推广应用阶段。负离子材料是能产生、释放有利健康的负离子的材料，空气中的羟基负离子浓度高则具有调节人体生理功能、促进健康的作用。近几年日本开始研究电气石和麦饭石等能产生负离子的功能材料，并有一些相关产品，虽能产生的一定数量的负离子，但浓度还不足以产生明显的健康环境效果。1999年中国建筑材料科学研究院利用稀土(镧、铈、钕等离子)作为添加剂，使电气石材料的活性增强(专利技术专利ZL99111380.2)，但制造工艺相对复杂，没有涉及自由基转化功能。上述现有技术的不足主要体现在一是常见的无机半导体材料(纳米TiO2和ZnO等)只在可见光条件下光催化且效率不高，而在红外、紫外、可见光或微量自然辐射等多波段范围都能高效光催化产生自由基的材料基本没有；二是以产生自由基达到空气净化、抗菌功能的光催化材料为内容和以负离子功能为内容的研究分别属于两个独立的领域，目前还没有将两者即光催化产生的自由基转化为负离子功能相结合的技术。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题是提供一种在紫外、可见光或微量自然辐射条件下都能高效。本专利技术的技术方案是，产生自由基并转化为负离子的光催化材料是由一种或以上低价稀土的硝酸盐、碳酸盐或氯化物和一种或以上高价稀土的氧化物或氢氧化物组成作为材料主相，通过离子交换和插层反应与具有层状纳米结构物质组装而成。以上所述稀土盐的低价形式选自镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)或钇(Y)的硝酸盐、碳酸盐或氯化物形式的一种或以上。以上所述稀土盐的高价形式选自铈(Ce)的氧化物或氢氧化物形式的一种或以上。以上所述层状纳米结构物质为层间距是纳米级的钠基蒙脱石。本专利技术之产生自由基并转化为负离子的光催化材料的制备方法，是将层状纳米结构物质钠基蒙脱石与水混合均匀、搅拌，静置，使其膨胀长大成为胶体溶液；将低价和高价稀土按(0.4～1)∶1的比例配成高价/低价复合稀土；将胶体溶液与制成的高价/低价复合稀土在反应釜中进行反应，通过离子交换将层间钠离子替换为稀土离子或稀土络离子，得到胶状产品，或经压滤、干燥得到粉末状产品。技术原理本专利技术的技术原理之一是基于稀土的光催化效应，利用上述高价/低价复合稀土作为材料主相，在多波段范围内，通过一次光催化产生活性氧自由基用于空气净化和抗菌功能，二次光催化将自由基转化为羟基负离子，制成可集负离子、空气净化和抗菌功能为一体的光催化材料。利用低价/高价稀土的变价特性，使自由基转化为负离子，而稀土材料本身在氧化—还原过程中，具有长期的寿命。具体来说，稀土的光催化效应有如下3个特点1.产生自由基稀土具有丰富的电子能级，在紫外线和可见光照射下，其外层电子能够跃迁到多个激发态的能级，于是在材料内部发生电荷分离。所产生的空穴使吸附在颗粒表面的水分子氧化生成羟基自由基，所产生的电子使空气中的氧还原生成超氧自由基。这些自由基具有降解环境污染物和抗菌的作用，可作为空气净化材料和抗菌材料使用。电子自旋共振波谱(ERS)测试结果证明，CeO2、Nd2O3和Pr6O11等所产生的自由基相对数量比TiO2高3倍以上，并且在可见光条件下也能产生(这是TiO2所不具有的特性)。本专利技术将稀土材料在多波段条件下产生自由基的特性称为一次催化。2.羟基自由基转化为负离子由于稀土光催化产生自由基的活性很大，可以与低价和高价稀土分别发生反应使其氧化和还原。氧化过程中，低价稀土与羟基自由基反应形成氢氧根OH-；还原过程中，高价稀土与超氧自由基反应形成氧气O2。总的反应过程如下产生的OH-继续与环境中的水分子结合，成为有益于人体健康的水合羟基负离子，即本专利技术将变价稀土在各种光照条件下使自由基转化为负离子的特性称为二次催化。3.长效性。上述依赖于原子价态变化所产生的催化作用可长期存在，因为这些变价稀土材料的原子价变化是可逆的，即式中s表示自由电子e的个数。这些电子可能产生于照射光的光子，这一点可以从爱因斯坦的质_能转换原理和对光电效应的阐述得到理解。本专利技术的技术原理之二是通过高价/低价复合稀土与具有层状纳米结构的蒙托石的离子交换和插层作用，使稀土离子与蒙托石复合，提高材料的作用面积，解决稀土材料在使用过程中的稳定性问题。所用高价/低价复合稀土的选用原则充分考虑其在多波段光范围内的光催化性能及量子产率，优选镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)的硝酸盐、碳酸盐或氯化物形式和铈(Ce)的氧化物或氢氧化物形式。高价和低价稀土的配合比例以产生的负离子数即自由基转化为负离子的过程更容易进行为依据。实验中所用蒙托石材料化学式为NaX·(H2O)4{(Al2-XMgX)(OH)2}，经离子交换后制备的稀土/蒙托石纳米复合材料的化学式为REY·(H2O)4{(Al2-XMgX)(OH)2}。式中RE为上述高价和低价稀土中的一种或以上。本专利技术所具有的有益效果所制备的光催化材料不仅在多波段光照范围内高效产生自由基达到减轻环境污染和抗菌的目的，同时在稀土的氧化—还原变价过程即二次催化过程中将自由基转化为对人体有调节作用的负离子。在稀土的一次和二次催化过程中，材料具备了净化空气、抗菌和负离子多种功能。将该催化材料作为添加剂应用于涂料、纺织品和建筑材料，可使产品同时具有净化空气、抗菌和产生负离子功能。四附图说明图1光催化材料的制备工艺流程2按实施方式一制备材料产生的自由基测试结果(Bruker ESP-300E型电子自选共振波谱仪)图3纳米TiO2材料产生的自由基测试(Bruker ESP-300E型电子自选共振波谱仪)图2和图3中a---紫外光(80s)；b---可见光(80s)；c---微弱光(80s)图4按实施方式一制备材料产生的负离子浓度动态测试结果(AIT-II空气负离子静态测定仪)图5黑电气石材料产生的负离子浓度动态测试结果(AIT-II空气负离子静态测定仪)五具体实施方式材料的制备工艺流程见图1。实施方式一的配方与工艺步骤将钠基蒙托石50克、水150克均匀搅拌，静置12小时左右，使蒙托石膨胀长大。按三价和四价稀土离子摩尔比为3∶7的配比，在蒙托石溶液中加入Ce2(NO3)3(纯度90.0％)和CeO2(纯度90.0％)共50克，研磨6至8小时，至颗粒粒度小于10微米，使稀土离子交换或插层于蒙托石中，压滤、烘干溶液至胶态或粉末状，制成固含量约为100克的试样。图2是该试样的自由基测试结果。与图3中常用的空气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生自由基并转化为负离子的光催化材料，其特征在于：由一种或以上低价稀土的硝酸盐、碳酸盐或氯化物和一种或以上高价稀土的氧化物或氢氧化物组成作为材料主相，通过离子交换和插层反应与具有层状纳米结构物质组装而成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金宗哲，翟洪祥，张志力，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]