一种光触媒的制备方法与流程

本发明涉及催化剂制备技术领域，具体的，涉及一种光触媒的制备方法。

背景技术

光触媒是一种具有光催化功能的半导体材料的总称，它涂布于基材表面，在光的作用下，产生强烈催化降解功能，能有效的降解空气中有毒有害气体和灭杀多种细菌，并能将细菌释放出的毒素分解成无害物质；一般的光触媒同时还具备除甲醛、除臭、抗污等功能。

二氧化钛作为最具代表性的光触媒，二氧化钛光触媒拥有价格便宜、光激发性强等优点，但是二氧化钛光触媒的光谱激发较短，只能通过紫外光激发发挥催化降解作用，并且二氧化钛光触媒对汽车尾气中的一氧化碳、氮氧化物的光分解能力较差，以上缺点直接制约了二氧化钛光触媒在汽车尾气处理上的发展。

技术实现要素：

本发明提供一种光触媒的制备方法，目的是制备一种新型的光触媒，以解决现有光触媒光谱激发较短、汽车尾气分解能力较差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种光触媒的制备方法，包括以下步骤：

将四氯化钛、硝酸铈、氯化铁和聚乙烯吡咯烷酮分散在乙醇溶液中，得到分散溶样；

将所述分散溶样置于水热反应釜的内衬中密封加热反应；再将加热反应后的混合物离心得到固体结晶，用乙醇溶液清洗所述固体结晶，得到前驱体；

将所述前驱体放入马弗炉中进行热处理，冷却后即得到光触媒粉末。

进一步的，所述将四氯化钛、硝酸铈、氯化铁和聚乙烯吡咯烷酮分散在乙醇溶液中，得到分散溶样具体为：将14-15份质量的四氯化钛、13-16份质量的硝酸铈、4-6份质量的氯化铁以及1-3份质量的聚乙烯吡咯烷酮分散在60-70份质量的乙醇溶液中，得到所述分散溶样。

进一步的，在将所述分散溶样置于水热反应釜的内衬中密封加热反应前，将所述内衬置于王水中3小时后，采用去离子水清洗并干燥处理。

进一步的，用乙醇溶液清洗所述固体结晶，至少清洗三遍。

进一步的，所述水热反应釜密封加热的温度为170-250℃，加热时间为16-24小时。

进一步的，所述热处理温度为500-700℃，热处理时间为1-3小时。

作为本发明实施例的一种可选方案，所述步骤还包括：将1.5-5份质量的所述光触媒粉末置于95-98份质量的水中分散，并加入1-2份质量的分散剂，制备得到光触媒溶液。

相比现有技术，本发明实施例提供的分解汽车尾气的光触媒的制备方法，具有以下有益效果：

1、制备过程简单；

2、制备原料易获得，制备条件易实现，且制备过程能耗低；

3、制备得到的光触媒对可见光的吸收率高，具有高光引发率和高催化活性，能高效分解汽车尾气。

附图说明

图1为本发明实施例提供的分解汽车尾气的光触媒的制备方法的步骤图；

图2为本发明实施例提供的光触媒粉末的x射线衍射图；

图3为本发明实施例提供的光触媒粉末的显微电镜图；

图4为本发明实施例提供的光触媒氧化分解一氧化碳的效果图；

图5为本发明实施例提供的光触媒氧化分解二氧化氮的效果图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行全面描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明有许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供给这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中于本发明的说明书中所使用的属于是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参阅图1，为本发明实施例提供的分解汽车尾气的光触媒的制备方法的步骤图，在本发明实施方式中：

本发明实施例提供的分解汽车尾气的光触媒的制备方法包括以下步骤：

s1.制备分散溶样：将四氯化钛、硝酸铈、氯化铁和聚乙烯吡咯烷酮分散在乙醇溶液中，得到分散溶样；具体的，将14-15质量比的四氯化钛、13-16质量比的硝酸铈、4-6质量比的氯化铁、1-3质量比的聚乙烯吡咯烷酮置于60-70质量比的乙醇溶液中搅拌均匀，使它们在乙醇溶液中充分分散，得到所述分散溶样；

s2.制备前驱体：将步骤s1中得到的分散溶样置于水热反应釜的内衬中密封加热反应；再将加热反应后的混合物离心得到固体结晶，用乙醇溶液清洗所述固体结晶，得到前驱体；水热反应釜在使用之前，将其内衬置于王水中3小时，使王水充分溶解水热反应釜内衬上的杂质，防止杂质被引入到后续的水热反应中，并用去离子水清洗该内衬后干燥处理；具体的，将所述分散溶样置于水热反应釜的内衬中后，箍紧所述水热反应釜并对其进行密封加热，加热的温度为170-250℃，持续加热16-24小时，使分散溶样内的物质充分反应，并将反应后的水热反应釜内衬中的混合物进行离心，直到所述混合物分成在上的液体层和沉底的固体层，且固体层的厚度不再增加为止；取下层固体，并用乙醇溶液清洗掉所述固体中未参与反应的杂质(清洗至少三遍)，得到光触媒的前驱体，此时的前驱体为呈微胶体状的固体；

s3.制备光触媒粉末：将s2中制备得到的前驱体放入马弗炉中进行热处理，冷却后即得到光触媒粉末；具体的，热处理的温度为500-700℃，热处理时间为1-3小时，热处理之后冷却得到的固体粉末即为光触媒粉末。

通过上述s1-s3步骤制备得到的光触媒粉末在日常环境下较不稳定、不易于保存和使用，所以在本发明实施例中，将步骤s3中得到的光触媒粉末置于水中分散，并加入分散剂，以制备易于使用和保存的光触媒溶液，具体的，将1.5-5质量比的所述光触媒粉末置于95-98质量比的水中分散，并加入1-2质量比的分散剂，得到光触媒溶液，此处所使用到的分散剂可选的种类很多，比如常见的水性涂料分散剂5040、水性颜料分散剂5042等。

作为本发明的一种实施例，将14份质量的四氯化钛、13份质量的硝酸铈，4份质量的氯化铁和1份质量的聚乙烯吡咯烷酮分散在60份质量的乙醇溶液中搅拌均匀得到分散溶样；再将水热反应釜的内衬置于王水中3小时，并用去离子水清洗2遍后干燥处理；再将所述分散溶样置于水热反应釜内衬中，并将内衬置于釜中箍紧、密封，将水热反应釜加热至170℃，反应16小时；反应完成后将混合物离心，取下层固体结晶，用乙醇清洗3遍，得到前驱体；将所述前驱体放入马弗炉中进行后期热处理，热处理温度为500℃，热处理时间为1小时，冷却后得到光触媒粉末。为易于保存和使用，将1.5份质量的光触媒粉末置于95份质量的水中分散，并加入1份质量的水性涂料分散剂5040，即可制备得到适用于汽车尾气分解的光触媒溶液。

作为本发明的另一实施例，将15份质量的四氯化钛、16份质量的硝酸铈，6份质量的氯化铁和3份质量的聚乙烯吡咯烷酮分散在70份质量的乙醇溶液中搅拌均匀，得到分散溶样；将水热反应釜的内衬置于王水中3小时，并用去离子水清洗2遍后干燥处理；将所述分散溶样置于水热反应釜内衬中，并将内衬置于釜中箍紧、密封，将水热反应釜加热至250℃，反应24小时；反应完成后将混合物离心，取下层固体结晶，用乙醇清洗3遍，得到前驱体。将所述前驱体放入马弗炉中进行后期热处理，热处理温度为700℃，热处理时间为3小时，冷却后得到光触媒粉末。为易于保存和使用，将5份质量的光触媒粉末置于98份质量的水中分散，并加入2份质量水性颜料分散剂5042，即可制备得到适用于汽车尾气分解的光触媒溶液。

作为本发明的又一实施例，将15份质量的四氯化钛、15份质量的硝酸铈，5份质量的氯化铁和2份质量的聚乙烯吡咯烷酮分散在65份质量的乙醇溶液中搅拌均匀，得到分散溶样；将水热反应釜的内衬置于王水中3小时，并用去离子水清洗2遍后干燥处理；将所述分散溶样置于反应釜内衬中，并将内衬置于釜中箍紧、密封，将水热反应釜加热至200℃，反应20小时；反应完成后将混合物离心，取下层固体结晶，用乙醇清洗3遍，得到前驱体；将所述前驱体放入马弗炉中进行后期热处理，热处理温度为600℃，热处理时间为2小时，冷却后得到固体粉末。为易于保存和使用，将3份质量的粉末置于96份质量的水中分散，并加入1份质量的水性分散剂6012，即可制备得到适用于汽车尾气分解的光触媒溶液。

参阅图2，为本发明实施例提供的光触媒粉末的x射线衍射图；该x射线衍射图为x射线衍射仪器对本发明实施例得到的光触媒粉末进行分析得到，图2中横坐标“2φ”表示的是x射线衍射仪器的扫描角度，纵坐标“intensity(强度)”表示的是x射线衍射仪器的探测器检测到单位时间(一般以秒为单位)内的粒子计数；将得到的光触媒粉末的x射线衍射图和x射线衍射的pdf标准卡片库进行比对，可以确定该光触媒粉末中含有锐钛矿和氧化铈，而锐钛矿的主要组成为二氧化钛，所以通过x射线衍射分析可知所述光触媒粉末的主要成分为二氧化钛和氧化铈；氧化铈本身对汽车尾气具有较强的分解能力，而二氧化钛作为常见的光触媒，其具有高光引发性，但是二氧化钛的光谱激发较短，只能通过紫外光激发，所以在制备光触媒的反应原料中加入铁元素，利用铁元素提高光触媒的可见光的吸收率和光引发率，来得到本发明实施例所提供的对可见光吸收率高，具有高光引发率，同时也具有高催化活性，能高效分解汽车尾气的光触媒粉末。

参阅图3，为本发明实施例提供的光触媒粉末的显微电镜图；图3所示为通过本发明实施例提供的制备方法制备得到的光触媒粉末在电子扫描电镜观察下的图像，该图的尺寸标尺为100nm(纳米)，也就是说该光触媒粉末颗粒的外观形状成规则的球体，颗粒尺寸大小为纳米级别，属于球形纳米光触媒，可以在光照下催化化学反应的发生，而自身不发生化学变化。

参阅图4和图5，图4和图5分别为本发明实施例提供的光触媒氧化分解一氧化碳和二氧化氮的效果图，图4和图5所示均在离光触媒1.5cm处用光强度为3mw/cm2(光强度单位：兆瓦/平方厘米)的光源进行照射的条件下得到的实验数据；为了使实验数据更为准确，可将光触媒置于一氧化碳或二氧化氮浓度较高的环境中测试。此二图主要反映随时间(横坐标)推移一氧化碳和二氧化氮的分解处理量(纵坐标)，图中虚线所示分别为普通二氧化钛光触媒分解一氧化碳、二氧化氮的效果曲线，图中实线所示分别为本发明实施例所提供的光触媒制备方法制备得到的光触媒分解一氧化碳、二氧化氮的效果曲线；从图中不难得出，通过本发明实施例所提供的光触媒制备方法制备得到的光触媒在同等时间内的一氧化碳和二氧化氮的处理量比普通二氧化钛光触媒平均高出一倍以上，并且氧化一氧化碳、二氧化氮的效率都要更高(通过虚、实曲线的斜率可知)，活性有效期也更长。

本发明实施例所提供的分解汽车尾气的光触媒的制备方法，相比于现有技术，具有以下进步：

1、本方法制备过程简单，制备原料易获得，制备条件易实现，且制备过程能耗低；

2、本方法制备得到的光触媒为球形纳米光触媒，可以在光照下催化化学反应的发生，而自身不发生化学变化，能长久使用；

3、铁元素的引入进一步提高了本方法制备得到的光触媒的可见光的吸收率和光引发率，使光触媒的应用场景增加，适用性更广，尤其适用于公路上汽车尾气的分解；

4、本方法制备得到的光触媒主要成分为二氧化钛和氧化铈，二氧化钛具有高光引发性，而氧化铈具有强汽车尾气分解能力，二者结合进一步提高了光触媒催化活性，增强了光触媒对汽车尾气的分解能力；

5、本方法制备得到的光触媒在同等时间内的对汽车尾气中的一氧化碳和二氧化氮的处理量比普通二氧化钛光触媒平均高出一倍以上，且处理效率更高，活性有效期更长。

本发明不局限于上述实施方式和实施例，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应认为包含于本发明的保护范围之内。