本发明属于光催化技术领域，具体涉及一种高性能二氧化钛光催化剂的制备方法。
背景技术
21世纪以来，随着工业化步伐的提升和自然资源的过度使用，伴随着各种环境污染、能源稀缺问题不断加剧。因此，治理各种污染，寻找新能源以缓解地球的压力迫在眉睫。光催化技术已经在废水处理、气体净化、杀菌、防污、自洁材料、染料敏化太阳能电池、化妆品、气体传感器等许多领域有着广泛的应用。光催化是基于半导体材料在光激发下能够产生具有强还原性的光生电子和具有强氧化性的空穴的基本特性，固体光催化剂能吸收太阳光将水和生物质分解成氢气，也能将空气和水体环境中的有机污染物和无机污染物氧化或还原降解为无害物质。因此，具有低能耗、绿色环保的特点。
目前，国内外研究最多的半导体光催化材料主要是金属氧化物和硫化物，如tio2，wo3，zno，fe2o3，cds等。tio2因其具有活性高、稳定性好、耐光腐蚀、无毒、成本低等优点，目前成为最受重视的一种光催化剂。但tio2作为光催化剂也有自身的缺点，如tio2的带隙较宽(eg＝3.2ev)，只能吸收紫外光，而紫外光只占太阳光能量的4％左右，因此，tio2对太阳光的利用率很低。由于tio2粉体材料其颗粒过于细微，在使用环境中易于失活和凝聚、不易沉降，导致其很难分离、回收和重复利用。为解决上述问题，增加其使用稳定性，将tio2负载于一定载体上，如玻璃、硅胶、活性炭等，但这些载体存在机械强度较弱、化学稳定性和热稳定性差等局限。因此，如何提高光催化剂的光催化活性和稳定性是当今的研究热点。
技术实现要素：
针对现有技术中的问题，本发明提供一种高性能二氧化钛光催化剂的制备方法，解决了现有光催化剂化学稳定性弱，活性差的问题，形成电气石粉与二氧化钛的复合光催化剂，具备良好的光催化活性和光催化稳定性。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种高性能二氧化钛光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将钛酸正丁酯加入至无水乙醇，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，超声分散得到钛醇分散液；
步骤2，将钛酸分散液加入至减压反应釜中减压蒸馏60-90min，得到钛浆液；
步骤3，将电气石粉加入至钛浆液中搅拌均匀，然后加入至球磨反应釜中进行恒温球磨20-30min，得到混合干粉；
步骤4，将混合干粉加入至反应釜中加压恒温反应1-3h，然后快速泄压降温，得到预制粉；
步骤5，将预制粉加入至无水乙醇中洗涤，过滤后烘干，得到高性能二氧化钛光催化剂。
所述步骤1中的钛酸正丁酯在无水乙醇中的浓度为30-70g/l，所述聚乙烯吡咯烷酮的加入量是钛酸正丁酯质量的80-90％。
所述步骤1中的超声分散的超声频率为40-60khz，温度为30-50℃。
步骤1将钛酸正丁酯溶解在无水乙醇中，能够形成良好的分散体系；聚乙烯吡咯烷酮的加入能够形成分散体系，将钛酸正丁酯完全分散至无水乙醇中，同时聚乙烯吡咯烷酮在无水乙醇中具备良好的溶解性，能够形成溶解体系；超声分散时采用低温低频率超声，钛酸正丁酯与聚乙烯吡咯烷酮反应，在钛酸表面形成稳定的聚乙烯吡咯烷酮包覆结构。
所述步骤2中的减压蒸馏的压力为大气压压力的60-70％，温度为70-90℃，所述钛浆液的体积是钛酸分散液的3-6％。在减压蒸馏过程中，无水乙醇快速蒸发，同时钛酸正丁酯中带有的正丁酯也逐步蒸发，从而形成聚乙烯吡咯烷酮包裹二氧化钛的浓稠醇液。
所述步骤3中的电气石粉的加入量是钛酸正丁酯质量的30-60％，所述搅拌均匀的搅拌速度为1000-1500r/min。
所述步骤3中的恒温球磨的温度为80-90℃，球磨后的粒径为5-30μm。
步骤3将电气石粉加入至钛浆料中搅拌，聚乙烯吡咯烷酮直接作用至电气石粉的表面，形成良好的分散体系，同时在恒温球磨过程中，无水乙醇不断蒸发去除，二氧化钛、聚乙烯吡咯烷酮和电气石粉形成沉淀固体状，且聚乙烯吡咯烷酮作为连接剂，能够形成分散连接体，确保二氧化钛的纳米级和粒径可控性。
所述步骤4中的加压恒温反应的压力为0.4-0.7mpa，温度为100-120℃。
所述步骤4中的快速泄压的泄压速度为0.05-0.1mpa/min，降温的速度为5-8℃/min。
步骤4将混合干粉进行加压恒温反应，能够提升电气石粉与纳米二氧化钛粒子之间的连接性与混合性，同时利用聚乙烯吡咯烷酮本身的稳定性以及包覆性，能够将部分二氧化钛包裹体系转化为二氧化钛-电气石粉的包裹体系；恒温条件能够将聚乙烯吡咯烷酮中残留的无水乙醇进一步去除；快速泄压降温，能够利用气体的泄压爆炸力，以二氧化钛-电气石粉为核心，形成独立的颗粒体系，该颗粒体系由于以聚乙烯吡咯烷酮作为粘结剂与分散剂，本身具备一定离散性，具备良好的独立性。
所述步骤5中的预制粉在无水乙醇中的浓度为100-150g/l。
所述步骤5中的烘干采用红外烘干，烘干温度为80-100℃。
所述步骤5中的高性能二氧化钛光催化剂用于空气净化领域。
步骤5将预制粉加入至无水乙醇中洗涤，能够将颗粒中聚乙烯吡咯烷酮完全洗涤干净，同时二氧化钛纳米颗粒完全析出，并与电气石粉相结合，形成纳米颗粒。
电气石粉是把电气石原矿经过去除杂质后，经过机械粉碎得到的粉体。经过加工提纯的电气石粉体具有较高的负离子产生量和远红外发射率。在红外烘干过程中，电气石粉受热产生电荷，电荷转移至二氧化钛表面，将二氧化钛表面的空穴闭合，从而提升二氧化钛的催化效率。烘干过程中采用红外光照体系，不仅能够内部提升烘干效果，产生的热量能够将二氧化钛转化为锐钛型。
本方案制备的二氧化钛催化剂是以纳米二氧化钛和电气石粉为核心的复合光催化剂，利用电气石粉本身的热电性产生的电荷迁移来提升二氧化钛的催化效率，有效的提升光催化降解性能的同时，也能够提升光催化稳定性，降低失活率。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明解决了现有光催化剂化学稳定性弱，活性差的问题，形成电气石粉与二氧化钛的复合光催化剂，具备良好的光催化活性和光催化稳定性。
2.本发明采用二氧化钛与电气石粉复合，利用电气石粉的热电性形成电荷转移，并且与二氧化钛的空穴形成反应，不仅具有良好的光催化降解效率，同时也提升了光催化活性与电荷流动性。
具体实施方式
结合实施例详细说明本发明，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1
一种高性能二氧化钛光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将钛酸正丁酯加入至无水乙醇，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，超声分散得到钛醇分散液；
步骤2，将钛酸分散液加入至减压反应釜中减压蒸馏60min，得到钛浆液；
步骤3，将电气石粉加入至钛浆液中搅拌均匀，然后加入至球磨反应釜中进行恒温球磨20min，得到混合干粉；
步骤4，将混合干粉加入至反应釜中加压恒温反应1h，然后快速泄压降温，得到预制粉；
步骤5，将预制粉加入至无水乙醇中洗涤，过滤后烘干，得到高性能二氧化钛光催化剂。
所述步骤1中的钛酸正丁酯在无水乙醇中的浓度为30g/l，所述聚乙烯吡咯烷酮的加入量是钛酸正丁酯质量的80％。
所述步骤1中的超声分散的超声频率为40khz，温度为30℃。
所述步骤2中的减压蒸馏的压力为大气压压力的60％，温度为70℃，所述钛浆液的体积是钛酸分散液的3％。
所述步骤3中的电气石粉的加入量是钛酸正丁酯质量的30％，所述搅拌均匀的搅拌速度为1000r/min。
所述步骤3中的恒温球磨的温度为80℃，球磨后的粒径为5μm。
所述步骤4中的加压恒温反应的压力为0.4mpa，温度为100℃。
所述步骤4中的快速泄压的泄压速度为0.05mpa/min，降温的速度为5℃/min。
所述步骤5中的预制粉在无水乙醇中的浓度为100g/l。
所述步骤5中的烘干采用红外烘干，烘干温度为80℃。
实施例2
一种高性能二氧化钛光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将钛酸正丁酯加入至无水乙醇，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，超声分散得到钛醇分散液；
步骤2，将钛酸分散液加入至减压反应釜中减压蒸馏90min，得到钛浆液；
步骤3，将电气石粉加入至钛浆液中搅拌均匀，然后加入至球磨反应釜中进行恒温球磨30min，得到混合干粉；
步骤4，将混合干粉加入至反应釜中加压恒温反应3h，然后快速泄压降温，得到预制粉；
步骤5，将预制粉加入至无水乙醇中洗涤，过滤后烘干，得到高性能二氧化钛光催化剂。
所述步骤1中的钛酸正丁酯在无水乙醇中的浓度为70g/l，所述聚乙烯吡咯烷酮的加入量是钛酸正丁酯质量的90％。
所述步骤1中的超声分散的超声频率为60khz，温度为50℃。
所述步骤2中的减压蒸馏的压力为大气压压力的70％，温度为90℃，所述钛浆液的体积是钛酸分散液的6％。
所述步骤3中的电气石粉的加入量是钛酸正丁酯质量的60％，所述搅拌均匀的搅拌速度为1500r/min。
所述步骤3中的恒温球磨的温度为90℃，球磨后的粒径为30μm。
所述步骤4中的加压恒温反应的压力为0.7mpa，温度为120℃。
所述步骤4中的快速泄压的泄压速度为0.1mpa/min，降温的速度为8℃/min。
所述步骤5中的预制粉在无水乙醇中的浓度为150g/l。
所述步骤5中的烘干采用红外烘干，烘干温度为100℃。
实施例3
一种高性能二氧化钛光催化剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将钛酸正丁酯加入至无水乙醇，然后加入聚乙烯吡咯烷酮，超声分散得到钛醇分散液；
步骤2，将钛酸分散液加入至减压反应釜中减压蒸馏80min，得到钛浆液；
步骤3，将电气石粉加入至钛浆液中搅拌均匀，然后加入至球磨反应釜中进行恒温球磨25min，得到混合干粉；
步骤4，将混合干粉加入至反应釜中加压恒温反应2h，然后快速泄压降温，得到预制粉；
步骤5，将预制粉加入至无水乙醇中洗涤，过滤后烘干，得到高性能二氧化钛光催化剂。
所述步骤1中的钛酸正丁酯在无水乙醇中的浓度为50g/l，所述聚乙烯吡咯烷酮的加入量是钛酸正丁酯质量的85％。
所述步骤1中的超声分散的超声频率为50khz，温度为40℃。
所述步骤2中的减压蒸馏的压力为大气压压力的65％，温度为80℃，所述钛浆液的体积是钛酸分散液的5％。
所述步骤3中的电气石粉的加入量是钛酸正丁酯质量的50％，所述搅拌均匀的搅拌速度为1300r/min。
所述步骤3中的恒温球磨的温度为85℃，球磨后的粒径为20μm。
所述步骤4中的加压恒温反应的压力为0.6mpa，温度为110℃。
所述步骤4中的快速泄压的泄压速度为0.08mpa/min，降温的速度为7℃/min。
所述步骤5中的预制粉在无水乙醇中的浓度为130g/l。
所述步骤5中的烘干采用红外烘干，烘干温度为90℃。
性能测试
对比例采用商用p25。
经对比例与实施例1比对，本发明制备的光催化材料具有良好的光催化稳定性均在92％以上，光催化去除率为95％以上，高于对比例中的67％光催化去除率和56％光催化稳定性；经过比对，本发明制备的高性能二氧化钛光催化剂具有良好的光催化性能，其光催化效果得到稳步提高，同时稳定性也得到了提高。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.本发明解决了现有光催化剂化学稳定性弱，活性差的问题，形成电气石粉与二氧化钛的复合光催化剂，具备良好的光催化活性和光催化稳定性。
2.本发明采用二氧化钛与电气石粉复合，利用电气石粉的热电性形成电荷转移，并且与二氧化钛的空穴形成反应，不仅具有良好的光催化降解效率，同时也提升了光催化活性与电荷流动性。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。