专利名称：多功能耦合催化剂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种化工技术领域的催化剂及其制备方法，具体是一种多功能耦 合催化剂及其制备方法。
背景技术：
由于现代居住环境和室内装修等引起的城市建筑物综合症、室内空调病、有 机污染等直接影响到人们的健康和生命安全。因中央空调系统不能经常性的清洗 和消毒，其系统内部成为细菌滋生处而带来的环境污染，已日益引起人们的重视。 目前的空气净化器主要采用活性炭吸附技术、臭氧净化技术、负离子除尘技术和 高压静电技术。活性炭吸附技术只能将有害物吸附储存，而不能将其分解或去除， 只是将污染源转移，并且吸附容量有限， 一旦饱和则失去效果。臭氧技术具有杀 菌、除臭作用，但对有机污染物的去除效率低，且臭氧本身对人体和环境有害。 负离子和高压静电技术是一种物理作用过程，能去除空气中的烟尘，但对化学、 生物和微生物等造成的污染无法去除净化。
经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号为200810064975. 5，名 称为 一种负载型光催化剂及其制备方法，该申请公开了一种以活性炭纤维为载 体的Ti02光催化剂，提高了光催化剂对水中苯的降解去除能力。纳米Ti02光催 化剂可有效地氧化或还原吸附在其表面上的有害气体分子，杀灭细菌，抑制病毒， 并能将有害有机物、细菌等转化为水和二氧化碳等无害物质，且没有任何二次污 染。Ti02光催化剂的吸附性能较差，因此往往采用适合的光催化载体以提高对污 染物的吸附和捕获。
发明内容
本发明目的在于克服Ti02光催化剂吸附性差并完全依赖于紫外光源的问题， 提供一种多功能耦合催化剂及其制备方法。本发明能与紫外灯或高压静电组成净 化装置，能利用紫外灯或高压静电释放的微量臭氧辅助催化，对室内空气中的甲 醛、苯系物等有机挥发物及细菌具有高效、连续、持久的净化功能。本发明是通过以下技术方案实现的
本发明涉及一种多功能耦合催化剂，由具有高吸附性的催化剂载体和负载在 催化剂载体上的催化剂组成，所述催化剂的组分及重量百分比为具有光催化活 性的主催化剂55.0% 98.0%，余量为具有氧化还原催化能力的金属氧化物助催 化剂。
所述具有高吸附性的催化剂载体为蜂窝活性炭、多孔陶瓷或蜂窝纸板。 所述主催化剂为锐钛矿相的二氧化钛或锐钛矿和金红石的混晶相二氧化钛。
所述助催化剂为Fe203、 Mn02、 CoA、 Ni0、 Cr203、 V205、 Cu0或Mo03中的一种。
本发明还涉及一种如上述所述的多功能耦合催化剂的方法，包括如下步骤
步骤一，利用主催化剂和助催化剂制备前驱溶液；
步骤二，将前驱溶液通过浸渍负载到高吸附性的催化剂载体上；
步骤三，50 50(TC加热干燥，得到多功能耦合催化剂。
步骤一中，所述制备前驱溶液具体为将Ti02粉体加入到助催化剂前驱溶液
中，加热搅拌，混合均匀而得。
所述助催化剂前驱溶液自于助催化剂的硝酸盐、硫酸盐、氯化盐或金属醇
盐中的一种。
步骤一中，所述制备前驱溶液具体为将FeA、 Mn02、 CoA、 NiO、 Cr203、 V205、 Cu0或Mo03粉体中的一种加入到Ti02前驱溶液中，加热搅拌，混合均匀而 得；
所述Ti02前驱溶液具体为，钛酸四丁酯的摩尔浓度为0.2 1.0mol/L，钛 酸四丁酯与二乙醇胺的摩尔比=0.5 1: 1，钛酸四丁酯与水的摩尔比=1: 1; 将钛酸四丁酯加入乙醇中，边搅拌边逐滴加入二乙醇胺，再逐滴加入水，将溶液 密闭静置陈化而得。
步骤一中，所述制备前驱溶液具体为将Ti02粉体与助催化剂Fe203、 Mn02、 Co304、 Ni0、 Cr203、 V205、 CuO或Mo03粉体中的一种以1: 0. 02 0. 2的质量比混 合，以水玻璃、膨润土或者ZSM-5分子筛作为胶合剂，进而制得水溶液，搅拌而 得前驱溶液。
本发明单纯的臭氧能去除有机物和杀灭细菌，但是降解效率比较低，同时 未参与反应的剩余臭氧对环境和人体造成危害。但是，在无光的情况下，臭氧可在金属氧化物的催化作用下，发生如下过程(l)臭氧被化学吸附在催化剂表面 上，形成容易与未被吸附的有机分子反应的活性组分；(2)有机分子被化学吸附 在催化剂表面上，然后同气相或水相中的臭氧反应；(3)臭氧和有机分子都被化 学吸附，然后是这些被吸附物质之间相互反应。在催化剂表面臭氧的吸附和转化， 产生活性氧(02—、 0—等)和羟基自由基(，H0)。从表l可以看出，与臭氧比较， 羟基自由基的氧化还原电位更高，即氧化能力更强。所以，通过耦合光催化反应 产生的大量羟基自由基(.OH)，正是其强大活性来源所在。同时，.OH的寿命极 其短暂，反应迅速，在催化剂表面生成，同时也在表面消失(参与反应或自行消 失)，不会逃逸至室内，安全可靠，无二次污染。
表l
氧化剂氧化还原电氧化剂氧化还原电
氟2.87双氧水1. 77
羟基自由基2.8双氧水自由1. 70
氧基2.42次氯酸1.49
臭氧2. 07飘气1. 36
空气净化器常用的紫外(uv)灯管和高压静电组件多少都会产生一定量的臭 氧，臭氧能与UV和光催化(如TiCU相互作用，通过协同作用产生大量具有高 氧化能力的羟基自由基(*0H)，从而有效地去除有机污染物和杀灭细菌。该过 程可简要地用下述化学反应方程来表示(式9中M代表空气中的有机物)
03 + H20 + UV — HA + 02(1)
H202 + UV ~> 2 OH(2)
03 + Ti02 — 03 (吸附)(3)
Ti02+ UV — Ti02 (e— ， h+ )(4)
e_ + 03 (吸附)—03—(吸附)(5)
03— + H+ — H03(6)
H03 — 02 +OH(7)
h+ + H20 —OH + H+(8) OH + M — C02 + H20 (9)
本发明具有如下的有益效果本发明原材料资源丰富，价格便宜；本发明的 制备工艺简单、容易控制。本发明所获得的多功能耦合催化剂，集吸附浓缩-光 催化-氧化催化功能于一体，与紫外灯或高压静电组成净化装置，能利用紫外灯 或高压静电释放的微量臭氧辅助催化，具有高效、连续、持久的净化室内空气中 的甲醛、苯系物和细菌之功能。
具体实施例方式
本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和 过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下列实施例中未注明具体条件 的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
步骤一，以钛酸四丁酯为前驱体，钛酸四丁酯的摩尔浓度为0.2mol/L，溶胶 的制备过程为将68. 1ml钛酸四丁酯加入909. 1ml乙醇中，边搅拌边逐滴加入 二乙醇胺19. 2ml ，充分搅拌后，边搅拌边逐滴加入3. 6ml水和1. Oml正硅酸乙 酯，搅拌充分，将溶液密闭静置一天使其陈化；
步骤二，将化学纯^05粉体90克加入步骤一最终所得溶液中，5(TC下加热搅 拌3小时，制得浸渍用的耦合催化剂前驱溶液；
步骤三，将150mm (长)x 150咖(宽)x 15mm (厚)的蜂窝陶瓷板置于上 述耦合催化剂前驱溶液中，充分浸渍后干燥，马弗炉中500'C煅烧2小时，获得 总负载量为4.8% (重量百分比)的VA/Ti02蜂窝陶瓷负载型耦合催化剂。
将上述VA/Ti02蜂窝陶瓷负载型耦合催化剂置于内有2. 5 ppm平衡浓度甲醛 的3tf密闭仓中，启开15W紫外灯(主波长254nm)和循环风机，50分钟后舱内 甲醛浓度降至0.08卯m。
实施例2
步骤一，以钛酸四丁酯为前驱体，钛酸四丁酯的摩尔浓度为lmol/L，溶胶的 制备过程为将340. 4ml钛酸四丁酯加入545.9 ml乙醇中，边搅拌边逐滴加入 96.2ml二乙醇胺，充分搅拌后，边搅拌边逐滴加入17. 5ml水，充分搅拌，混合 溶胶溶液密闭静置一天使其陈化，待用；
步骤二，将50克化学纯CrA粉体和20克Ti02加入步骤一最终所得溶液中，在5(TC下加热搅拌3小时，制得浸渍用的耦合催化剂前驱溶液；
步骤三，将150mm (长)x 150mm (宽)x 15mm (厚)的蜂窝陶瓷板置于上
述耦合催化剂前驱溶液中，充分浸渍后干燥，马弗炉中50(TC煅烧2小时，获得
总负载量为3.5% (重量百分比)的CrA/Ti02蜂窝陶瓷负载型耦合催化剂。 将上述CrA/Ti02蜂窝陶瓷负载型耦合催化剂置于内有1.5 ppm平衡浓度甲
醛的3M3密闭仓中，启开高压静电组件(电压7000V，功率5W)和循环风机，60
分钟后舱内甲醛浓度降至0. 08ppm。 实施例3
步骤一，制备2M浓度的硝酸锰溶液1L，将120克Ti02和15克ZSM-5粉末 S^入该溶液，搅拌30分钟，获得催化剂前驱溶液；
步骤二，将150腿(长)x 150mm (宽)x 15咖(厚)的蜂窝陶瓷板置于步 骤一所得耦合催化剂前驱溶液中，充分浸渍后干燥，马弗炉中50(TC煅烧2小时， 获得总负载量为5.2% (重量百分比)的Mn02/Ti02蜂窝陶瓷负载型耦合催化剂。
将上述Mn02/Ti02蜂窝陶瓷负载型耦合催化剂置于内有2. 5 ppm平衡浓度甲醛 的3Nf密闭仓中，启开15W紫外灯(主波长254nm)和循环风机，60分钟后舱内 甲醛浓度降至0. 08卯m。
实施例4
称取150克Ti02和120克CoA (主催化剂55. 6% ，助催化剂44. 4% )置于 2L去离子水中，乳化机处理20分钟，得到溶液。将150mm(长)xl50mm(宽) x 15mm (厚)的蜂窝纸板置于前述溶液中，充分浸渍后8(TC干燥2小时，获得 总负载量为5.2% (重量百分比)的CoA/Ti02蜂窝活性炭负载型耦合催化剂。
将上述Co3(VTi02负载型耦合催化剂置于内有2.5卯m平衡浓度甲醛的3M3 密闭仓中，启开15W紫外灯(主波长254nm)和循环风机，120分钟后舱内甲醛 浓度降至0. 08ppm。
实施例5
步骤一，制备2M浓度的氯化铁溶液1L，将145克Ti02粉末放入该溶液，搅 拌30分钟，获得催化剂前驱溶液；
步骤二，将150mm (长)x 150mm (宽)x 15mm (厚)的蜂窝陶瓷板置于步 骤一所得耦合催化剂前驱溶液中，充分浸渍后干燥，马弗炉中50(TC煅烧2小时，获得总负载量为5.2% (重量百分比)的Fe2(VTi02蜂窝陶瓷负载型耦合催化剂。 将上述FeA/Ti02蜂窝陶瓷负载型耦合催化剂置于内有2. 2 ppm平衡浓度甲
醛的3M3密闭仓中，启开15W紫外灯(主波长254nm)和循环风机，50分钟后舱
内甲醛浓度降至0. 08ppm。 实施例6
称取150克Ti02置于1M的硝酸镍水溶液中，乳化机处理20分钟，得到溶液； 将150咖(长)x 150mm (宽)x 15mm (厚)的蜂窝活性炭板置于前述溶液中， 充分浸渍后8(TC干燥2小时，再250'C下干燥4小时，获得总负载量为8. 4% (重 量百分比)的Ni0/Ti02蜂窝活性炭负载型耦合催化剂。
将上述NiO/Ti02负载型耦合催化剂置于内有2. 5 ppm平衡浓度甲醛的3if密 闭仓中，启开15W紫外灯(主波长254nm)和循环风机，30分钟后舱内甲醛浓度 降至0. 08ppm。
实施例7
步骤一，制备1. 5M浓度的硫酸铜溶液1L，将125克Ti02和10克y _A1203 粉末放入该溶液，搅拌30分钟，获得催化剂前驱溶液；
步骤二，将150mm (长)x 150mm (宽)x 15 (厚)的蜂窝陶瓷板置于步 骤一所得耦合催化剂前驱溶液中，充分浸渍后干燥，马弗炉中50(TC煅烧2小时， 获得总负载量为4.8% (重量百分比)的CuO/Ti02蜂窝陶瓷负载型耦合催化剂。
将上述Cu0/Ti02蜂窝陶瓷负载型耦合催化剂置于内有2. 2卯m平衡浓度甲醛 的3MS密闭仓中，启开15W紫外灯(主波长254nm)和循环风机，60分钟后舱内 甲醛浓度降至0.08卯m。
实施例8
称取150克Ti02和5克Mo03 (主催化剂96. 8% ，助催化剂3. 2% )粉末置于 1L去离子水中，乳化机处理20分钟，得到溶液。将150mm(长)xl50腿(宽) x 15mm (厚)的蜂窝活性炭板置于前述溶液中，充分浸溃后8(TC干燥2小时， 获得总负载量为10.2% (重量百分比)的Co304/Ti02蜂窝活性炭负载型耦合催化 剂。
将上述Mo03/Ti02蜂窝陶瓷负载型耦合催化剂置于内有2. 5 ppm平衡浓度甲醛 的3^f密闭仓中，启开高压静电组件(电压7000V，功率5W)和循环风机，50分钟后舱内甲醛浓度降至0. 08ppm。 比较例1
将150mm (长)x 150mm (宽)x 15腿(厚)的蜂窝陶瓷板置于内有2. 2 ppm 平衡浓度甲醛的3MS密闭仓中，启开15W紫外灯(主波长254nm)和循环风机， 20分钟后舱内甲醛浓度降至1.8ppm，之后2小时无变化， 一直保持在1.8卯m。 比较例2
将150ran (长)x 150mm (宽)x 15誦(厚)的活性炭板置于内有2.2 ppm 平衡浓度甲醛的3Ma密闭仓中，启开15W紫外灯(主波长254nm)和循环风机， 20分钟后舱内甲醛浓度降至0. 52 ppm，之后2小时降至0. 32卯m，之后2小时 无变化。
比较例3
将150誦(长)x 150mm (宽)x 15mm (厚)的活性炭板置于内有2. 2 ppm 平衡浓度甲醛的3^f密闭仓中，启开高压静电组件(电压7000V，功率5W)和循 环风机，20分钟后舱内甲醛浓度降至0. 52卯ra，之后2小时降至0.32 ppm，之 后2小时无变化。 比较例4
将150 (长)x 150 (宽)x 15咖(厚)的蜂窝纸板置于内有2.2 ppm 平衡浓度甲醛的3MS密闭仓中，启开15W紫外灯(主波长254nm)和循环风机， 20分钟后舱内甲醛浓度降至1. 82 ppm，之后2小时降至1. 72卯m，之后2小时 无变化。
比较实施例与比较例的结果可知，在耦合催化剂的作用下，无论与紫外灯耦 合还是与高压静电耦合，均能在2个小时内将甲醛降到0.08ppm，而没有催化剂 的活性炭或陶瓷板或蜂窝纸板， 一旦吸附达到饱和或平衡，污染物浓度将不再变 化。
权利要求
1、一种多功能耦合催化剂，由具有高吸附性的催化剂载体和负载在催化剂载体上的催化剂组成，其特征在于，所述催化剂的组分及重量百分比为具有光催化活性的主催化剂55.0％～98.0％，余量为具有氧化还原催化能力的金属氧化物助催化剂。
2、 根据权利要求1所述的多功能耦合催化剂，其特征是，所述具有高吸附性的催化剂载体为蜂窝活性炭、多孔陶瓷或蜂窝纸板。
3、 根据权利要求1所述的多功能耦合催化剂，其特征是，所述主催化剂为锐钛矿相的二氧化钛或锐钛矿和金红石的混晶相二氧化钛。
4、 根据权利要求1所述的多功能耦合催化剂，其特征是，所述助催化剂为Fe203、 Mn02、 CoA、 Ni0、 Cr203、 V205、 CuO或Mo03中的一种。
5、 一种如权利要求1所述的多功能耦合催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一，利用主催化剂和助催化剂制备前驱溶液；步骤二，将前驱溶液通过浸渍负载到高吸附性的催化剂载体上；步骤三，50 50(TC加热干燥，得到多功能耦合催化剂。
6、 根据权利要求5所述的制备方法，其特征是，步骤一中，所述制备前驱溶液具体为将Ti02粉体加入到助催化剂前驱溶液中，加热搅拌，混合均匀而得。
7、 根据权利要求6所述的制备方法，其特征是，所述助催化剂前驱溶液自于助催化剂的硝酸盐、硫酸盐、氯化盐或金属醇盐中的一种。
8、 根据权利要求5所述的制备方法，其特征是，步骤一中，所述制备前驱溶液具体为将FeA、 Mn02、 Co304、 Ni0、 Cr203、 V205、 CuO或Mo03粉体中的一种加入到Ti02前驱溶液中，加热搅拌，混合均匀而得，
9、 根据权利要求8所述的制备方法，其特征是，所述Ti02前驱溶液具体为，钛酸四丁酯的摩尔浓度为0.2 1.0mol/L，钛酸四丁酯与二乙醇胺的摩尔比=0.5 1: 1，钛酸四丁酯与水的摩尔比=1: 1;将钛酸四丁酯加入乙醇中，边搅拌边逐滴加入二乙醇胺，再逐滴加入水，将溶液密闭静置陈化而得。
10、 根据权利要求5所述的制备方法，其特征是，步骤一中，所述制备前驱溶液具体为将Ti02粉体与助催化剂FeA、 Mn02、 Co304、 NiO、 Cr203、 V205、 CuO或Mo03粉体中的一种以1:0. 02 0. 2的质量比混合，以水玻璃、膨润土或者ZSM-5分子筛作为胶合剂，进而制得水溶液，搅拌而得前驱溶液。
全文摘要
一种化工技术领域的多功能耦合催化剂及其制备方法；该催化剂由具有高吸附性的催化剂载体和负载在催化剂载体上的催化剂组成，所述催化剂的组分及重量百分比为具有光催化活性的主催化剂55.0％～98.0％，余量为具有氧化还原催化能力的金属氧化物助催化剂；该多功能耦合催化剂的制备方法包括如下步骤利用主催化剂和助催化剂制备前驱溶液；将前驱溶液通过浸渍负载到高吸附性的催化剂载体上；50～500℃加热干燥，得到多功能耦合催化剂。本发明的催化剂对室内空气中的甲醛、苯系物等有机挥发物及细菌具有高效、连续、持久的净化功能。
文档编号B01J23/75GK101590403SQ200910052888
公开日2009年12月2日 申请日期2009年6月11日 优先权日2009年6月11日
发明者上官文峰, 史文晶, 施建伟, 杨俊鹏, 欣 黄 申请人:上海交通大学