专利名称：超亲水性纳米二氧化钛光催化复合膜及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明属于空气净化处理技术领域，具体涉及一种用于室内空气净化的超亲水性
纳米二氧化钛光催化复合膜及其制备方法和应用。
背景技术：
近年来，空气污染问题日益受到人们的重视。通过高级氧化过程(AdvancedOxidation Processes, AOPs)将有毒污染物降解是一种空气净化的途径。其中，采用纳米1102光催化材料进行空气净化已经成为治理环境最有前途的方法之一。特别是通过适当的改性后，1102的光催化降解反应可用可见光源激发。纳米1102光催化实际应用须解决的一个关键问题即提高光催化效率。影响光催化效率的因素很多，关系复杂。例如，光催化效率不仅决定于污染物在光催化剂表面上的输运、吸附、氧化分解、产物的脱附和传递等过程，也取决于光催化剂表面活性物种的产生。众所周知，纳米二氧化钛的光催化降解作用来源于催化剂受光激发后产生的光生载流子(自由电子与空穴)转换为氧化性很强的氧负离子或氢氧根自由基，这一过程涉及光生载流子的产生、迁移、湮灭及转化。不仅依赖于催化剂的组成、结构，还强烈依赖于表面吸附的氧气和水分子。尤其是在空气净化中，水分子的充分吸附与转换为活性羟基自由基成为光催化效率提高的关键因素之一。
水分子在超亲水膜上有极强的浸润能力。在光催化研究中，人们发现纳米二氧化钛形成的薄膜在紫外光照下有超亲水性。近年来，利用超亲水性制作自洁涂料已经成为了一个新兴的热点。 目前采用的纳米二氧化钛光催化空气净化技术没有考虑水分子在光催化膜上的浸润性对光催化效率的影响。由于水分子在光催化活性物种的产生中是必不可少的，因而水分子必须能在光催化膜表面进行有效吸附。对于空气净化应用而言，改善或提高水分子在光催化膜表面的吸附性能是提高光催化效率的有效手段。本发明由此而来。
发明内容
本发明目的在于提供一种超亲水性纳米二氧化钛光催化复合膜，解决了常规的纳米Ti02光催化薄膜光催化效率低等问题。 为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是 —种超亲水性纳米二氧化钛光催化复合膜，其特征在于所述复合膜包括纳米尺寸的二氧化钛溶胶与亚微米的颗粒物，所述颗粒物选自 一种或一种以上的以下化合物二氧化硅、氧化铋、活性碳、氧化锌、氧化铁。 优选的，所述二氧化钛的粒径在10 100nm范围内；所述颗粒物的粒径在100 1000nm范围内。 优选的，所述颗粒物为Si(^，所述Si/Ti摩尔比在5% _35%范围内。优选的，所述颗粒物为粒径在100 800nm范围内的Bi203，且Bi/Ti摩尔比在
0. 5% -10%之间。
优选的，所述复合膜为1 10层，所述复合膜的接触角为0。。 本发明的另一目的在于提供一种超亲水性纳米二氧化钛光催化复合膜的制备方
法，其特征在于所述方法包括将亚微米的颗粒物的二氧化钛溶胶在载体上通过丝网印刷成
膜的步骤。 优选的，所述载体选自不锈钢、铝材、陶瓷、玻璃、碳纸、碳布和牛皮纸。
优选的，所述丝网印刷步骤是在250 400目丝网板上印刷而成。
优选的，所述方法中二氧化钛溶胶的制备方法包括 (1)将定量的TiOS04或TiCl4或Ti (OBu) 4边搅拌边滴加到异丙醇PrOH中，使之充分混合均匀； (2)在高速机械搅拌下，加入适量的水中，控制pH值范围1. 5 3. 5 ; (3)将溶液在恒温75t:水浴的条件下，搅拌回流12 24h得到。 本发明的另一目的在于提供一种超亲水性纳米二氧化钛光催化复合膜在室内空
气净化方面的应用。 本发明技术方案中通过添加亚微米颗粒物和丝网印刷技术在载体上制备具有超亲水性的纳米二氧化钛光催化膜，并用于室内挥发性有机物(VOCs)如甲醛的降解。由于本发明光催化膜超亲水性，使整个光催化膜表面充分覆盖一层水分子，大大增加光活性物种的产生几率和浓度，同时提高光催化活性位点的分布区域和浓度。进而，水分子膜的存在还大大提高了空气中易挥发性有机物及有害微生物在膜表面的停留能力，进一步增强光催化降解的效率，杀灭有害微生物，保证有毒有机物被充分地矿化降解。 本发明得到所述的光催化膜在可见光激发下具有超亲水特性，同时具有紫外或可见光激发的空气净化能力。其可见光催化活性是通过窄带半导体复合、元素掺杂而实现的。
相对于现有技术中的方案，本发明的优点是 1.本发明技术方案得到的超亲水性的纳米二氧化钛光催化膜具有可见光催化活
性，可利用清洁的太阳光激发纳米二氧化钛光催化剂进行空气净化，节省能源。 2、利用本发明技术方案得到的超亲水性的纳米二氧化钛光催化膜进行空气净化，
其在紫外或可见光激发下，由于光催化膜的超亲水特性而具有增强的空气净化能力，可以
有效地提高光催化空气净化的效率。 综上所述，本发明超亲水性纳米二氧化钛光催化膜使得在无光照下也能长期保持超亲水性，另外其在紫外或可见光下具有增强的空气净化能力，可以有效地提高光催化空气净化的效率。该光催化膜可以广泛应用于空气净化处理技术领域。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述 图1为本发明实施例1复合Si02_Ti02膜的接触角测试结果图； 图2为本发明实施例1不同环境湿度下与普通纯纳米Ti02膜降解甲醛的效率差
异效果图； 图3是本发明实施例2自然放置下Bi203-Ti02复合膜与纯纳米Ti02膜接触角随时间的变化图； 图4是本发明实施例2复合Bi203-Ti02光催化剂与纯纳米Ti02光催化剂的漫反射光谱对比图； 图5是本发明实施例2在模拟太阳光及室内照明灯激发下，超亲水复合81203-1102膜与纯纳米TiOj莫降解甲醛的能力比较图； 图6是本发明实施例2超亲水复合Bi^fTi0j莫紫外光下连续降解甲醛的效果图。
具体实施例方式以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明
本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做
进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。 实施例13层复合Si02_Ti02膜的制备和光催化活性研究 1、1102溶胶的制备将25ml的Ti (0Bu) 4边搅拌边滴加到8mli-PrOH中，使之充分混合均匀，得到溶液A ;—定量的乙胺(N/Ti摩尔比为10% )和Si(^颗粒加入到200ml的水中，控制其pH值范围1. 75 2. 25，得到溶液B ;在高速机械搅拌下，将溶液A缓慢的滴加到B中。在恒温75°C水浴的条件下，搅拌，回流24h。
2、Si02颗粒的添加 在上述Ti02溶胶制备中，在溶液B中加入粒径约500nm的Si02颗粒，Si/Ti摩尔比为10%。 3、亲水性试验 试验条件室温25°C ，湿度55 % 。利用芬兰SKV公司产CAM-200型动态接触角检测系统检测接触角。 试验方法用微量进样器将8 ii L去离子水滴在Ti02膜表面，待液滴在薄膜表面稳定后，由CCD摄像采集图片，通过测角法得到接触角数据。试验结果图1显示水滴在3层复合Si02-Ti02膜(Si/Ti摩尔比=10% )表面的浸润性。水滴在膜上完全铺展，接触角为O。，膜表现出超亲水特性。
4、降解试验 试验条件本例中的光催化膜系用添加有Si02颗粒的Ti02溶胶在牛皮纸上采用350目丝网板印刷而成。T叫粒径约10nm，复合Si02-Ti02膜表现出良好的超亲水性能。
试验方法光催化空气净化在WH-2型60L小型智能环境气候舱内进行，催化剂膜面积为30mmX200mm。光源分别采用紫外灯(365nm，9W)、模拟太阳光源(金卤灯，15W)和照明荧光灯(IIW)。反应在室温下进行，控制舱内温度为25.0士0.5t:，气流速度为12L/min。用甲醛测定仪(英国PPM公司ppm400型)检测舱内甲醛气体的浓度。
试验结果 图2显示在实验的湿度范围(35% -80% )内，超亲水的复合Si02-Ti02膜对甲醛
的降解率均显著优于纯纳米的Ti02膜(接触角54° )。 实施例2复合Bi203-Ti02膜的制备和光催化活性研究 1. Ti02溶胶的制备 将25ml的Ti (OBu) 4边搅拌边滴加到8mli-PrOH中，使之充分混合均匀，得到溶液A ;—定量的Bi203加入到200ml的水中，控制其pH值范围1. 8 3. 0，得到溶液B ;在高速
5机械搅拌下，将溶液A缓慢的滴加到B中。在恒温75t:水浴的条件下，搅拌，回流24h。
2.81203颗粒的添加在上述Ti02溶胶制备中，在溶液B中加入粒径约500nm的Bi203颗粒，Bi/Ti摩尔
比为1. 25%。 3.亲水性试验 试验条件室温25°C ，湿度55 % 。利用芬兰SKV公司产CAM-200型动态接触角检测系统检测接触角。 试验方法用微量进样器将8 ii L去离子水滴在Ti02膜表面，待液滴在薄膜表面稳定后，由CCD摄像采集图片，通过测角法得到接触角数据。 试验结果添加了 Bi203的复合膜其接触角有了大幅度降低。图3显示5层的Bi203-Ti02复合膜(Bi/Ti摩尔比为1. 25% )与纯纳米Ti02膜自然放置下的接触角随时间的变化关系。81203-1102复合膜始终保持了超亲水性，接触角一直为0° 。纯纳米TiOj莫则有亲水性，接触角大于50。。
4、光催化氧化降解实验 试验步骤本例中的光催化膜为溶胶_凝胶法制备的复合Bi203-Ti02膜。Ti02粒径约10nm。图4为本例实验所用复合Bi203-Ti02光催化剂的漫反射光谱，显示所用催化剂具有可见光吸收特性。光催化过程同例l。
试验结果 图5为在模拟太阳光及普通照明光激发时本例实验所用复合Bi203-Ti02光催化剂与与普通1102光催化剂降解甲醛的效率比较。无论采用何种光源，超亲水的复合81203-1102膜的光催化效率都明显优于纯纳米Ti02膜。图6显示超亲水的复合Bi203-Ti02膜在紫外光激发下连续降解甲醛的能力。81203-1102膜对甲醛的催化降解率始终维持在90%以上，具有较强的光催化稳定性。 上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精
神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种超亲水性纳米二氧化钛光催化复合膜，其特征在于所述复合膜包括纳米尺寸的二氧化钛溶胶与亚微米的颗粒物，所述颗粒物选自一种或一种以上的以下化合物二氧化硅、氧化铋、活性碳、氧化锌、氧化铁。
2. 根据权利要求1所述的超亲水性纳米二氧化钛光催化复合膜，其特征在于所述二氧化钛的粒径在10 100nm范围内；所述颗粒物的粒径在100 1000nm范围内。
3. 根据权利要求1所述的超亲水性纳米二氧化钛光催化复合膜，其特征在于所述颗粒物为Si(^，所述Si/Ti摩尔比在5% -35%范围内。
4. 根据权利要求1所述的超亲水性纳米二氧化钛光催化复合膜，其特征在于所述颗粒物为粒径在100 800nm范围内的Bi203，且Bi/Ti摩尔比在O. 5% _10%之间。
5. 根据权利要求3或4所述的超亲水性纳米二氧化钛光催化复合膜，其特征在于所述复合膜为3 10层，所述复合膜的接触角为0。。
6. —种权利要求1所述的超亲水性纳米二氧化钛光催化复合膜的制备方法，其特征在于所述方法包括将含亚微米的颗粒物的二氧化钛溶胶在载体上通过丝网印刷成膜的步骤。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述载体选自不锈钢、铝材、陶瓷、玻璃、碳纸、碳布和牛皮纸。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述丝网印刷步骤是在250 400目丝网板上印刷而成。
9. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法中二氧化钛溶胶的制备方法包括(1) 将定量的TiOS04或TiCl4或Ti (OBu) 4边搅拌边滴加到异丙醇PrOH中，使之充分混合均匀；(2) 在高速机械搅拌下，加入适量的水中，控制pH值范围1. 5 3. 5 ;(3) 将溶液在恒温75t:水浴的条件下，搅拌回流12 24h得到。
10. —种权利要求1所述的超亲水性纳米二氧化钛光催化复合膜在室内空气净化方面的应用。
全文摘要
本发明公开了超亲水性纳米二氧化钛光催化复合膜及其制备方法和应用，该超亲水性纳米二氧化钛光催化复合膜包括纳米尺寸的二氧化钛溶胶与亚微米的颗粒物，所述颗粒物选自一种或一种以上的以下化合物二氧化硅、氧化铋、活性碳、氧化锌、氧化铁。该复合膜在无光照下也能长期保持超亲水性，而且通过使普通的亲水性二氧化钛膜成为超亲水性膜来提高其空气净化处理的效率。该光催化膜可以广泛应用于空气净化处理技术领域。
文档编号A62D3/00GK101757900SQ20091018688
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月28日 优先权日2009年12月28日
发明者付德刚, 徐晶晶, 戎非 申请人:东南大学