专利名称：一种纳米多孔二氧化钛光催化材料的制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在常压下制备具有光催化性能的纳米二氧化钛块体材料的方法。
背景技术：
具有多相光催化性能的半导体包括W03、Ti02、CdS、ZnS、Zn0、Fe203、CdSe等。相比 较而言，TiO2来源丰富，价格低廉，其光电化学性能十分稳定，耐光腐蚀，并且具有较深的价 带能级，可使一些吸热反应在光照射的TiO2微粒表面得以实现和加速，更重要的是TiO2本 身对人体和微生物无毒性，是理想的环保型光催化剂。催化用TiO2多为粉体或者薄膜。将TiO2粉末与其它助剂混合后，均勻分散在水溶 液中，通过调节气流量来保持其在溶液中的悬浮状态，这就是所谓的TiO2悬浮体系。在早期 的研究中，大都采用这种方法来去除水中的有机物，但是这样也存在一些缺点，因为悬浮液 透光性差，使光辐射受到影响，而且也很容易造成TiO2流失，同时还存在微纳米粉反应后分 离回收困难等问题。或者将Ti02粉末通过偶联剂与载体粘合在一起，适用于热稳定性差而 不能进行高温灼烧的载体。此法工艺简单，对载体性质要求不高，负载得较牢固，但因偶联 剂多为有机物，故该法制得的光催化剂的催化活性不高，长期使用会产生裂痕，导致剥落。为了提高催化剂与目标分子的碰撞几率，可以通过将负载的TiO2光催化剂制成多 孔状，增大比表面积，来达到提高其光催化活性的目的。对于薄膜型TiO2光催化剂，纳米 TiO2固着性是一个重要的方面。可以将TiO2粉体或者薄膜附着于某载体上，制作复合光催 化剂，比如通过溶胶-凝胶方法将二氧化钛光催化剂负载在泡沫镍、多孔陶瓷或者金属表 面。还可以利用热喷涂技术，制备多孔TiO2光催化涂层。TiO2的固定化解决了固一液分离 的问题，然而负载后的TiO2催化剂的活性普遍较低，其原因之一就是反应物与负载后催化 剂的接触不够充分。但是使用溶胶-凝胶的方法制备多孔TiO2时，煅烧过程中TiO2的结构 容易发生转变，为了维持锐钛矿型结构必须保持低温烧结，因此材料的强度很低，TiO2颗粒 容易脱落，造成二次污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种常压下经济方便地制备具有较高催化效率的纳米多孔 二氧化钛块体材料的方法，具有工艺稳定，操作简单，便于回收、不致二次污染等优势。制备 出锐钛矿型的纳米TiO2块体光催化材料，可以承受一定的压力，可以对循环气体、水体进行 催化，成本低、质量好。为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的一种纳米多孔二氧化钛光催化材料的制备工艺，包括下述步骤(1)选择粒度D5tl在17-20nm范围的锐钛矿型纳米二氧化钛作为原料；(2)原料经过造粒后在70_90MPa压力下模压成型制成坯体；(3)将模压后的坯体放入空气中加热烧结，烧结温度为700-850°C，保温15-25分 钟后随炉冷却，得到多孔二氧化钛块体；
(4)通过测试，烧结后的二氧化钛块体的气孔率为15-70%、抗弯强度为 3. 2-24. 6MPa、混晶相中锐钛矿含量为79-100%。上述方法中，所述混晶相中锐钛矿含量通过以下公式计算X = I--~*100%Ia 锐钛矿相2 θ = 25. 341的Χ-ray衍射峰的强度；Ib 金红石相2 θ = 27. 479的Χ-ray衍射峰的强度。本发明使用氧化钛纳米晶构筑的二氧化钛多孔材料，通过控制烧结温度及保温时 间，可以在常压及较低烧结温度下获得高气孔率、高强度、锐钛矿含量高的二氧化钛块体材 料。可用于解决水污染(蓝藻)，工业废弃、室内装修所造成的(气体、水体)污染。特别是 在要求催化材料具有一定强度的场合，更有用武之地。这种光催化材料既有较高的光催化 活性，又易于从液相和气相中分离和回收，在液相和气相体系中有很好的应用前景。
图1是本发明实施例1所获样品断口的SEM照片。图2是本发明实施例1所获样品的光催化效果图。
具体实施例方式以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。实施例1本实施例包括以下步骤(1)选择粒度D5tl (累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径)为17nm的锐 钛矿型纳米二氧化钛作为原料；(2)造粒后在80MPa压力下模压成型制成坯体；(3)将模压后的坯体放入空气烧结炉内加热烧结，烧结温度为750°C，保温20分钟 后随炉冷却，得到多孔二氧化钛块体；(4)通过测试，烧结后的二氧化钛块体的气孔率为67%、抗弯强度为3. 8MPa、锐钛 矿相含量为85%。图1是本实施例中所获样品断口的SEM照片，从照片中可以看出，烧结后样品的晶 粒尺寸小于lOOnm，说明按照上述制备工艺获得的二氧化钛块体为纳米材料。图2是本实施例中所获样品的光催化效果图。从图中可以发现，随催化时间的延 长，降解率逐渐升高，当催化时间为10小时时，降解率为0. 5。实施例2本实施例同样包括实施例1所述的四个步骤，其中不同之处在于步骤(1)中选择锐钛矿型纳米二氧化钛的粒度D5tl为19nm ；步骤(2)中模压成型的压力为70MPa ；步骤(3)中的烧结温度为700°C，保温15分钟；步骤(4)中烧结后的二氧化钛块体的气孔率为70%、抗弯强度为3. 2MPa、锐钛矿 相含量为100%。
实施例3本实施例同样包括实施例1所述的四个步骤，其中不同之处在于步骤(1)中选择锐钛矿型纳米二氧化钛的粒度D5tl为ISnm ；步骤(2)中模压成型的压力为90MPa ；步骤(3)中的烧结温度为850°C，保温25分钟；步骤(4)中烧结后的二氧化钛块体的气孔率为15%、抗弯强度为24. 6MPa、锐钛矿 相含量为79%。实施例4本实施例同样包括实施例1所述的四个步骤，其中不同之处在于步骤(1)中选择锐钛矿型纳米二氧化钛的粒度D5tl为20nm ；步骤(3)中的烧结温度为850°C，保温25分钟；步骤(4)中烧结后的二氧化钛块体的气孔率为18%、抗弯强度为22MPa、锐钛矿相 含量为80%。实施例5本实施例同样包括实施例1所述的四个步骤，其中不同之处在于步骤(1)中选择锐钛矿型纳米二氧化钛的粒度D5tl为ISnm ；步骤(2)中模压成型的压力为75MPa ；步骤(3)中的烧结温度为770。C，保温15分钟；步骤⑷中烧结后的二氧化钛块体的气孔率为58%、抗弯强度为5. 4MPa、锐钛矿 相含量为90%。实施例1-5所获试样的性能测试方法1、气孔率、强度的测试通过阿基米德排水法、三点弯曲测试强度气孔率。2、晶相组成的测定通过以下公式计算样品中锐钛矿含量X = I--~^Ia 锐钛矿相2 θ = 25. 341的Χ-ray衍射峰的强度；Ib 金红石相2 θ = 27. 479的Χ-ray衍射峰的强度。3、光催化性能的测试样品规格为长15. 60mm、宽11. 60mm，采取单面光照；测试容 器选取IOOml烧杯，测试溶液为甲基橙，其浓度为20mg/L，溶液量为20ml ；灯管与液面之间 的距离控制在4. 5cm。分别在光照他二！^处^！！力！^川！！后测定溶液的吸光度，并通过以下公式计算光
降解率。d = (C-c)/0100%式中d为降解率、C为初始吸光度、c为接受光照后某时刻吸光度。
权利要求
一种纳米多孔二氧化钛光催化材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤(1)选择粒度D50在17 20nm范围的锐钛矿型纳米二氧化钛作为原料；(2)原料经过造粒后在70 90MPa压力下模压成型制成坯体；(3)将模压后的坯体放入空气中加热烧结，烧结温度为700 850℃，保温15 25分钟后随炉冷却，得到多孔二氧化钛块体；(4)通过测试，烧结后的二氧化钛块体的气孔率为15 70％、抗弯强度为3.2 24.6MPa、混晶相中锐钛矿含量为79 100％。
2.如权利要求1所述的纳米多孔二氧化钛光催化材料的制备工艺，其特征在于，所述 混晶相中锐钛矿含量通过以下公式计算X = I----* 1 QQO/Ia 锐钛矿相2 θ = 25. 341的x-ray衍射峰的强度； Ib 金红石相2 θ = 27. 479的X-ray衍射峰的强度。
全文摘要
本发明公开了一种纳米多孔二氧化钛光催化材料的制备工艺，首先选择锐钛矿型纳米二氧化钛，粒度D50范围在17-20nm；造粒后在70-90MPa压力下模压成型制成坯体；然后坯体在空气烧结炉内在700-850℃烧结15-25分钟，最后可获得气孔率为15-70％、强度为3.2-24.6MPa、材料中锐钛矿含量约79-100％，具有良好光催化性能的二氧化钛块体材料。本发明工艺具有利于回收、重复利用、不致二次污染的优点。
文档编号B01J21/06GK101927157SQ201010278588
公开日2010年12月29日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者乔冠军, 杨建锋, 王洪业, 王红洁, 王继平, 金海云, 鲍崇高 申请人:西安交通大学