二氧化钛光催化薄膜的低温成膜方法

专利名称：二氧化钛光催化薄膜的低温成膜方法
技术领域：
本发明涉及一种二氧化钛光催化薄膜的低温成膜方法。
背景技术：
1970年初，Fujishima和Honda在实验中发现TiO2单结晶电极在受到光的照射后能够产生光氧化反应和光还原反应，并将水分解成氢和氧，之后此项研究继续发展至今。光触媒实际应用到各项领域是在最近几年，由于TiO2本身具有催化活性高、化学稳定性好、价格低廉、使用安全及制备的薄膜透明等特点，作为新一代的环境净化材料，它已得到广泛应用，特别是在环境污染治理上的应用，得到迅猛地发展。
最初，TiO2光催化材料的研究多在悬浮体系中进行，粉末状氧化钛用作水处理时，由于使用的是微粉或是超微粉，用后需要作过滤回收，存在过滤材料的堵塞或过滤不净等问题；并且粉末状氧化钛的回收困难，使得水质净化作业连续性较差，影响处理效率。为了克服粉末状光催化剂的缺点，使用的方法之一是用粘合剂将粉末状氧化钛固定到基片上，但由于粘合剂将粉术颗粒的大部分覆盖，只有一部分露出表面，而露出表面的部分才是光触媒的有效部分，因此该法的应用也受到了很大的限制。直接在基材上做成氧化钛膜是目前被广泛采用的另一种方法。该薄膜已在多种基材如陶器、玻璃、不锈钢、纤维、纸、木材、无织布、塑料、树脂板等表面得到应用，由于其全表面积都是氧化钛膜，存在表面积大、光触媒活性高等优点，其研究对工业应用更具实际意义。
已有的制备二氧化钛薄膜的方法很多，传统方法是将TiO2溶胶涂覆在基材表面，经高温(500-600℃)煅烧而成，这就限制了TiO2薄膜在许多不耐热性基材如塑料、织物等表面上的应用。因此，开发光活性纳米晶体TiO2薄膜低温制备技术，对拓展光催化技术的应用领域，降低生产成本尤为重要。已有的低温成膜技术主要为低温水热结晶法，紫外光辐照法，机械压膜法，电泳沉积法，直接沉积法，改性溶胶-凝胶法等。其中，改性溶胶-凝胶法是比较常用的方法，此法有设备简单、基材不受限制、操作温度低等优点，但该法制备周期较长，通常需要十几小时到几天，且制备出的二氧化钛薄膜的光催化性能也不高。

发明内容
本发明的目的在于提供一种在非耐热基材上制备二氧化钛薄膜的方法，该方法采用在基材上涂布氧化钛溶胶后，直接或经稍微干燥后，用高频电场微波照射加热在基材上快速形成氧化钛薄膜。由于加热温度低，可在纸张，布及塑料为基材的非耐热基材上制备二氧化钛薄膜，薄膜具有很高光催化活性。
本发明提出的技术方案是，二氧化钛光催化薄膜的低温成膜方法，该方法是用溶胶凝胶法制备二氧化钛溶胶，选用钛酸异丙酯作为前驱体，在基材上涂布二氧化钛溶胶后，直接或经稍微干燥后，用频率为300MHz-30Ghz的高频电场微波照射，加热到90-250℃，微波照射加热时间为1-30min，在基材上快速形成氧化钛薄膜，具体步骤为二氧化钛光催化薄膜的低温成膜方法，其特征在于，该方法是用溶胶凝胶法制备二氧化钛溶胶，选用钛酸异丙酯作为前驱体，在基材上涂布二氧化钛溶胶后，直接或经稍微干燥后，用频率为300MHz-30Ghz的高频电场微波照射，加热到90-250℃，微波照射加热时间为1-30min，在基材上快速形成氧化钛薄膜，具体步骤为(1)二氧化钛溶胶的制备将10-50mL的无水乙醇和1-2mL的二乙醇胺加入到10-50mL的钛酸异丙酯中，再加入1-5mL的蒸馏水水解，搅拌制得淡黄色溶胶；四种物质的加入顺序依次为钛酸异丙酯、无水乙醇、二乙醇胺、蒸馏水，混合搅拌后形成淡黄色均匀透明的溶胶；(2)基材的选用基材选用玻璃，陶瓷，塑料，木材，纸张，布，活性炭中的一种。
(3)二氧化钛薄膜的制备将制得的溶胶以涂抹工具滚压于基材上，直接用微波照射，或静置待表面稍微干燥后用微波照射加热1-30min，即在基材上制得所需二氧化钛薄膜，膜体平均表面温度控制在90-200℃之间。所述的高频电场微波频率为800MHz到3GHz高频电磁场照射，加热温度为100-200℃时，制备二氧化钛薄膜效果最佳。塑料为聚乙烯，聚乙烯氯乙稀，聚酯，聚丙烯，丙烯晴-丁二稀-苯乙烯共聚物，聚酰胺，聚四氟乙烯。基材的形状可为薄膜状，粒状，板状，球状，圆筒状或带角柱状。
二氧化钛薄膜的光催化性能利用有机物分解确定，气相中将制备在基片上的薄膜至于密闭的容器中，容器内通入少量的有机物，经过一定的光照射时间后，有机物被分解。液相中利用亚甲基蓝酒精溶液涂抹在制备的薄膜上，经过一定的光照射时间后，亚甲基蓝被脱色。将亚甲基蓝溶液滴在制备的薄膜上，于紫外灯下照射30分钟，照射距离约10cm。因为亚甲基蓝几乎不受紫外线的影响，他的脱色可认为是薄膜光催化的作用。
本发明的有益效果是，相对于现有技术制备的二氧化钛薄膜，所涉及的制备方法获得的二氧化钛薄膜具有均匀性好，光催化活性高等优点，并且该方法所用工艺简单，制备温度低，快速、高效及选择性加热过程节省了制备时间，成膜质量高且不产生龟裂。在灯光，太阳光等近紫外光的照射下，薄膜表面生成的电子和空穴对具有很强的能力，在水蒸气存在下可生成OH等多种自由基，对空气中的有机物，硫化物，细菌等具有分解杀灭作用。对水中溶解的有机溶剂，毒性物质也有分解除去作用。可应用于车内净化，住户室内净化及厕所净化等，克服了传统高温(500-600℃)制备二氧化钛薄膜的不足，具有快速、高效的特点，


图1为打印纸上制膜经紫外光照后亚甲基蓝酒精溶液脱色效果图。
图2为卡片纸上制膜经紫外光照后亚甲基蓝酒精溶液脱色效果图。
图3为聚乙烯膜片上制膜经紫外光照后亚甲基蓝水溶液脱色效果图。
具体实施例方式
下面通过实施例详述本发明实施例1将无水无水乙醇(20mL)和二乙醇胺(2mL)加入到钛酸异丙酯(20mL)中，再加入蒸馏水(1mL)水解，搅拌制得淡黄色溶胶待用。
将制得的溶胶以玻璃棒滚压于打印纸板上，静置3分种待表面干后用最大输出750W微波加热5min，温度控制在120℃，冷却后即得所需二氧化钛薄膜。
比较例1将无水无水乙醇(20mL)和二乙醇胺(2mL)加入到钛酸异丙酯(20mL)中，再加入蒸馏水(1mL)水解，搅拌制得淡黄色溶胶待用。
将制得的溶胶以玻璃棒滚压于卡片纸上，直接用最大输出750W微波加热5min，温度控制在120℃，冷却后即得所需二氧化钛薄膜。
测定结果表明得到了均匀的二氧化钛薄膜，该薄膜与卡片纸结合力强，且未产生龟裂。
比较例2将无水无水乙醇(20mL)和二乙醇胺(2mL)加入到钛酸异丙酯(20mL)中，再加入蒸馏水(1mL)水解，搅拌制得淡黄色溶胶待用。
将制得的溶胶以玻璃棒滚压于聚乙烯膜片，静置3分钟待表面干后用最大输出750W微波加热8min，温度控制在180℃，冷却后即得所需二氧化钛薄膜。
测定结果表明得到了均匀的二氧化钛薄膜，该薄膜与聚乙烯膜片结合力强，且未产生龟裂。
实施例2将亚甲基蓝(浓度为0.1g/L)酒精溶液滴在制备有二氧化钛薄膜的纸面上，于10W紫外灯下照射30分钟，照射距离约10cm。经紫外灯照射后的涂有二氧化钛薄膜的滤纸上亚甲基蓝颜色几乎全部消失，脱色效果显著(图1)。
比较例1将亚甲基蓝(浓度为0.1g/L)酒精溶液滴在制备有二氧化钛薄膜的卡片纸面上，10W外灯下照射30分钟，照射距离约10cm。
测试结果表明经紫外灯照射后的涂有二氧化钛薄膜的卡片纸上亚甲基蓝颜色几乎全部消失，脱色效果显著(图2)。
比较例2将亚甲基蓝(浓度为0.01g/L)水溶液滴在制备有二氧化钛薄膜的聚乙烯膜片上，于10W紫外灯下照射30分钟，照射距离约10cm。
测试结果表明经紫外灯照射后的涂有二氧化钛薄膜的聚乙烯膜片上亚甲基蓝颜色几乎全部消失，脱色效果显著(图3)。
权利要求
1.二氧化钛光催化薄膜的低温成膜方法，其特征在于，该方法是用溶胶凝胶法制备二氧化钛溶胶，选用钛酸异丙酯作为前驱体，在基材上涂布二氧化钛溶胶后，直接或经稍微干燥后，用频率为300MHz-30Ghz的高频电场微波照射，加热到90-250℃，微波照射加热时间为1-30min，在基材上快速形成氧化钛薄膜，具体步骤为(1)二氧化钛溶胶的制备将10-50mL的无水乙醇和1-2mL的二乙醇胺加入到10-50mL的钛酸异丙酯中，再加入1-5mL的蒸馏水水解，搅拌制得淡黄色溶胶；四种物质的加入顺序依次为钛酸异丙酯、无水乙醇、二乙醇胺、蒸馏水，混合搅拌后形成淡黄色均匀透明的溶胶；(2)基材的选用基材选用玻璃，陶瓷，塑料，木材，纸张，布，活性炭中的一种。(3)二氧化钛薄膜的制备将制得的溶胶以涂抹工具滚压于基材上，直接用微波照射，或静置待表面稍微干燥后用微波照射加热1-30min，即在基材上制得所需二氧化钛薄膜，膜体平均表面温度控制在90-200℃之间。
2.根据权利要求1所述的二氧化钛光催化薄膜的低温成膜方法，其特征在于，所述的高频电场微波频率为800MHz到3GHz高频电磁场照射，加热温度为100-200℃。
3.根据权利要求1所述的二氧化钛光催化薄膜的低温成膜方法，其特征在于，所述的塑料为聚乙烯，聚乙烯氯乙稀，聚酯，聚丙烯，丙烯晴-丁二稀-苯乙烯共聚物，聚酰胺，聚四氟乙烯。
4.根据权利要求1所述的二氧化钛光催化薄膜的低温成膜方法，其特征在于，所述的基材的形状可为薄膜状，粒状，板状，球状，圆筒状或带角柱状。
全文摘要
本发明提供一种低温获得二氧化钛薄膜的方法，用溶胶凝胶法制备二氧化钛溶胶，选用钛酸异丙酯作为前驱体，在基材上涂布氧化钛溶胶后，直接或经稍微干燥后，用高频电场微波照射加热到90－200℃，在基材上快速形成氧化钛薄膜。采用微波照射的方法，在高频电磁场作用下，低温90－200℃条件下即可形成具有光催化活性的薄膜，由于加热温度低，可在纸张，布及塑料为基材的非耐热基材上制备二氧化钛薄膜，该膜在光照的条件下具有较强的氧化还原活性。具有快速、高效的特点，提高了能量效率，节省了制备时间，提高了成膜质量。所作的薄膜均匀，不产生龟裂，且有较高的光催化活性。
文档编号B01J37/00GK101073768SQ20071001169
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月11日 优先权日2007年6月11日
发明者孙冰, 朱小梅 申请人:大连海事大学