一种超分散光催化剂及其制备方法与应用
【专利摘要】本发明的超分散光催化剂包括有以下组分：醇类溶剂90~110份、二氧化钛2~6份及分散剂10~14份，该超分散光催化剂为半透明溶液，二氧化钛的一次粒径为10~50nm，二次粒径小于100nm，安全无毒且催化效果显著。主要具有以下优点：（1）紫外、可见全光谱范围的光催化响应；（2）适用于燃油燃烧催化；（3）显著减排安全环保。本发明的超分散光催化剂制备方法（1）实现纳米二氧化钛在醇类溶剂中高度分散；（2）获得具有部分钛离子自掺杂特征，降低禁带宽度，实现紫外、可见全光谱范围的光催化响应；（3）降低成本。本发明的超分散光催化剂的应用不再局限于室内环境污染、杀菌、除臭，可直接应用于燃料燃烧催化，特别是汽车内燃机的燃料燃烧催化。
【专利说明】
-种超分散光催化剂及其制备方法与应用
技术领域
[0001] 本发明设及光催化剂技术领域，特别是设及一种改性二氧化铁溶液的超分散催化 剂及其制备方法与应用。
【背景技术】
[0002] 将甲醇替代内燃机用部分燃油，成为减少石油消耗的重要途径。柴油/甲醇二元燃 料体系可将燃料燃烧总效率提高20%W上。甲醇让柴油机更节能减排，成为最有发展前景的 石油替代燃料之一。然而，在二元燃料燃烧氧化的过程中，由于压力溫度的原因，仍有部分 不完全氧化分解的碳氨化合物。如何通过提高燃料的燃烧效率，促进燃烧产物氧化完全成 为研究者关注的重点。
[0003] 目前，国内外的研究者对汽油机和柴油机内催化燃烧进行了诸多的研究。现有技 术中，应用到催化燃烧上的催化剂种类主要有贵金属催化剂(销(Pt)、锭(化）、钮(Pd)等，起 燃溫度低，催化效率高，但耐热性差、易烧结，且价格昂贵，主要用作后处理。过渡金属氧化 物催化剂：CuO、Ah〇3、化2〇、Fe2化、Mn3〇4, 一种或几种渗杂，来源广泛、价格低廉，但催化活 性有待提高，主要用于甲烧催化燃烧。而光触媒催化剂纳米二氧化铁为主，又称光催化 剂或光触媒），将光触媒催化剂涂布于基材表面，在紫外光线的作用下产生强烈催化降解功 能，催化性能高，但因受溫度和光照的因素影响较大，目前主要用于室内环境污染、杀菌、除 臭，或者将光触媒涂敷在渐青马路上降解汽车尾气，几乎不会直接用于燃油的燃烧催化。 [0004]中国发明专利文献（公开号CN 103061925 B)公开了一种利用磁和光触媒及光作 用提高内燃机燃料燃烧率的方法，通过磁环境下的燃料发生催化氧化反应，燃料燃气分子 链断裂释放出氨氧自由基，所含的硫醇、嚷吩等可分解出氨气，产生大量的自由基和氨气， 自由基聚合反应后，使得自由基聚合的分子运动状态由过去的布朗运动变成空忍管状运 动，可W提高燃速。同时本发明位于燃料中的光触媒体在波长为175~400皿的光源照射 下，由于吸收了光能而产生电子空穴对。运些空穴对(光载流子)会迅速迁移至表面，并激活 其表面附着的也0与化而产生氨氧基(-OH)和活性氧(-妒-)，W促进提高燃速的作用。该方 法通过磁环境下的燃料发生催化氧化反应W提高燃速，并且需要额外光源的照射光触媒催 化剂才能发挥作用，不能直接将光触媒催化剂直接应用于内燃机燃料燃烧催化，若按照该 方法实施现有的各种燃烧器、锅炉燃烧系统及汽车内燃机均需要进行改造，改造成本非常 高，而且燃烧装置的结构也变得更加复杂。然而，传统的光触媒均难W醇类溶剂分散，在石 油、柴油及柴油/甲醇二元体系中的分散更难，催化作用难W发挥。
[0005] 因此，针对现有技术中的存在问题，亟需提供一种可直接应用于燃油燃烧催化的 光触媒催化技术显得尤为重要。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种用于燃油燃烧的超分 散光催化剂。
[0007]本发明的目的通过W下技术方案实现： 提供一种超分散光催化剂，包括有W下重量份的组分： 醇类溶剂 90~110份 二氧化铁 2~6份 分散剂 10~14份 二氧化铁的一次粒径为10~50nm，二次粒径小于lOOnm。
[000引其中，二氧化铁为自渗杂二氧化铁。
[0009]优选的，一种超分散光催化剂包括有W下重量份的组分 醇类溶剂 100份 二氧化铁 4份 分散剂 12份。
[0010]优选的，分散剂为正娃酸乙醋、丫-琉丙基立甲基硅烷、乙締基立甲氧基硅烷、乙締 基Ξ乙氧基硅烷及丙基Ξ甲氧基硅烷的一种W上。
[OOW 优选的，醇类溶剂为甲醇。
[0012] 优选的，二氧化铁的一次粒径为25~30nm，二次粒径小于lOOnm。
[0013] 本发明的另一目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种用于燃油燃烧的超分 散光催化剂的制备方法。
[0014] 本发明的另一目的通过W下技术方案实现： 一种超分散光催化剂制备方法，用于制备上述的超分散光催化剂，其包括有W下步骤， (1) 取1重量份的Ti此粉体置于反应器中，加入50~100重量份的水和15~20重量份的双 氧水，揽拌^6小时，获得黄绿色浆料； (2) 往黄绿色浆料加入1~5重量份的纳米二氧化铁粉体，充分揽拌后，45~6(TC真空干燥 10~14小时，得到灰白色粉体； (3) 将灰白色粉体真空高溫般烧，得到蓝白色粉体； (4) 将蓝白色粉体加入到分散剂与醇类溶剂的混合液中，揽拌1.5~2.5小时，超声波分 散10~20分钟，得到半透明的二氧化铁溶液为超分散光催化剂。
[0015] 优选的，步骤(3)中，将灰白色粉体放入真空炉中高溫般烧，般烧溫度为400~600 Γ。
[0016] 更优选的，一种超分散光催化剂制备方法包括有W下步骤： (1) 取1重量份的Ti肥粉体，加入80重量份的水和17重量份的双氧水，揽拌3小时； (2) 加入2重量份的纳米二氧化铁粉体，充分揽拌后，5(TC真空干燥12小时，得到灰白色 粉体； (3) 将灰白色粉体在真空高溫般烧，得到蓝白色粉体； (4) 分散剂为正娃酸乙醋、丫-琉丙基Ξ甲基硅烷、乙締基Ξ甲氧基硅烷、乙締基Ξ乙氧 基硅烷及丙基Ξ甲氧基硅烷的一种W上，醇类溶剂为甲醇，将蓝白色粉体加入到分散剂与 甲醇的混合液中，揽拌2小时，超声波分散15分钟，得到半透明的二氧化铁溶液。
[0017] 本发明的还提供上述超分散光催化剂的应用:上述的超分散光催化剂应用于燃料燃烧 催化。
[0018] 特别的，应用于内燃机二元燃料体系的燃油燃烧催化，将超分散光催化剂根据需 要用甲醇稀释任意倍数，通过内燃机甲醇管路由喷嘴喷入进气道，伴随空气进入气缸催化 柴油和甲醇二元燃料的燃烧。
[0019] 本发明的有益效果： 本发明的超分散光催化剂包括有W下重量份的组分:醇类溶剂90~110份、二氧化铁2~6 份及分散剂10~14份，该超分散光催化剂为半透明溶液，其中，溶液中，二氧化铁的一次粒径 为10~50nm，二次粒径小于l(K)nm，其不仅安全无毒，而且应用于燃料燃烧有助于节能减排、 清积碳及提高燃烧利用率，对于应用于汽车用内燃机二元燃料燃烧体系催化助燃，效果显 著。相对于现有技术，主要具有W下有益效果： (1)纳米颗粒的表面积/粒径比极大，极易团聚，相容性差导致分散性不好，会大大降 低光触媒催化剂的催化性能，故纳米二氧化铁的分散性一直是影响其催化性能的关键性因 素。本发明中，二氧化铁的一次粒径为10~50nm，二次粒径小于1 OOnm，二氧化铁分散性良好 且稳定，具有优异的催化性能，实现紫外、可见全光谱范围的光催化响应。
[0020] (2)而且本发明的超分散光催化剂为醇类作为溶剂的溶液，适用于燃油燃烧催化， 特别二元燃油体系催化助燃，将光触媒应用于内燃机双燃料燃烧领域是光触媒发展的新方 向，利用燃料燃烧过程中产生的光谱，就地取材，直接转化为催化剂的动力源。同时，在催化 剂的作用下，燃料燃烧更加完全，燃烧持续期增加，燃烧的热效率显著提高。
[0021] (3)显著减排安全环保 光触媒作为本正半导体，在光的作用下，可产生光生电子(e^)与空穴α+)，并与吸附在 纳米颗粒表面的溶解氧形成超氧负离子，与氨氧根离子和水氧化成氨氧自由基。超氧负离 子和氨氧自由基具有很强的氧化性，能将绝大多数的有机物氧化至最终产物C〇2和出0，甚至 对一些无机物也能彻底分解。光触媒在内燃机二元燃料燃烧体系中，可促使有机物的完全 氧化，减少一氧化碳、氮氧化物、硫化物的浓度。
[0022] 本发明的超分散光催化剂制备方法主要W下有益效果： (1)可实现纳米二氧化铁在醇类溶剂的高度分散，颜色为无色半透明，稳定性高. (2 )全光谱响应扩大光谱吸收阔值 提高纳米二氧化铁的量子产率，通过低价铁前躯体Ti出(二氨化铁)加入水和双氧水预 先制备黄绿色浆料，该黄绿色浆料为3价铁与4价铁混合凝胶，随后加入市面所售的任意一 种白色纳米二氧化铁粉体，使得3价铁与4价铁混合凝胶包覆于纳米二氧化铁的表面。然后 通过高溫、真空般烧等手段，获得具有部分铁离子自渗杂特征，从而降低禁带宽度，实现紫 夕F、可见全光谱范围的光催化响应； (3)降低成本 明原材料简单易得，操作方便，可实现大规模生产与罐装，生产成本低廉。同时，加注方 式根据内燃机二元燃料燃烧系统原有的甲醇进料方式即可进行操作，无需更改现有各种燃 烧器、锅炉燃烧系统及汽车内燃机的结构，避免改造费用减低利用光催化剂催化燃烧的使 用成本。在促进燃烧充分的同时，还可W减少积碳，降低汽车保养成本。
【具体实施方式】
[0023] 结合W下实施例对本发明作进一步说明。
[0024] 实施例1 本实施例的超分散光催化剂包括有W下重量份的组分： 醇类溶剂 90g 二氧化铁 2g 分散剂 lOg 由于纳米二氧化铁的表面能较大容易发生团聚，团聚而成的颗粒粒径均不同，处于一 定的范围内。本实施例的二氧化铁团聚而成的颗粒的一次粒径为10~25nm，二次粒径小于 lOOnm。
[0025] 实施例2 本实施例的主要技术方案与实施例1基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实 施例1中的解释，在此不再进行寶述。本实施例的超分散光催化剂包括有W下重量份的组 分： 醇类溶剂 llOg 二氧化铁 6g 分散剂 1? 二氧化铁的一次粒径为30~50nm，二次粒径为小于90nm。
[00%] 实施例3 本实施例的主要技术方案与实施例1基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实 施例1中的解释，在此不再进行寶述。本实施例的超分散光催化剂包括有W下重量份的组 分： 醇类溶剂 lOOg 二氧化铁 4g 分散剂 1? 二氧化铁的一次粒径为25~30nm，二次粒径为小于80nm。
[0027]初始溫度为800k时，实施例1、实施2及实施例3对柴油和甲醇二元燃料体系的催化 影响如表1: 表1
实施例4 本实施例的超分散光催化剂制备方法，具体步骤如下： (1)取Ig Ti此粉体，放置单口烧瓶中，然后加入去离子水50g，双氧水15g，磁力揽拌6 小时，形成黄绿色浆料； (2) 加入5g日本石原stOl纳米二氧化铁粉体。充分揽拌后，放入真空干燥箱50°C溫度下 干燥14小时，得到灰白色粉体； (3) 将粉体放入真空炉中400°C高溫般烧，得到蓝白色粉体； (4) 将粉体倒入丫 -琉丙基Ξ甲基硅烷的甲醇溶液中，揽拌2.5小时，超声分散20分钟， 得到半透明二氧化铁溶液为超分散光催化剂。
[0028] 将制得的超分散光催化剂溶液直接应用于汽车内燃机的燃烧催化，将超分散光催 化剂用甲醇稀释1000倍，再通过甲醇管路由喷嘴喷入进气道，随空气进入气缸催化柴油和 甲醇燃料的燃烧。将溶液用。在不同的初始溫度下，观察催化剂对燃烧情况的影响，得到W 下结果:_
' 说明的是，本实施例的超分散光催化剂溶液应用于汽车内燃机的燃烧催化才使用甲醇胃 稀释，若应用在其他燃油和醇的燃料体系，则可用其他醇类溶剂作为稀释剂，根据实际需要 稀释任意倍。
[0029] 实施例5 本实施例的主要技术方案与实施例4基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实 施例4中的解释，在此不再进行寶述。
[0030] 本实施例的超分散光催化剂制备方法，具体步骤如下： (1) 取O.lg Ti出粉体，放置单口烧瓶中，然后加入去离子水lOg，双氧水2g，磁力揽拌1 小时，形成黄绿色浆料； (2) 加入Ig德固赛P25型纳米二氧化铁粉体。充分揽拌后，放入真空干燥箱45°C溫度下 干燥10小时，得到灰白色粉体； (3) 将粉体放入真空炉中500°C高溫般烧，得到蓝白色粉体； (4) 将粉体倒入乙締基Ξ乙氧基硅烷的甲醇溶液中，揽拌1.5小时，超声分散10分钟，得 到半透明二氧化铁溶液为超分散光催化剂。
[0031] 在不同的初始溫度下，观察光催化剂对内燃机燃料燃烧情况的影响，得到W下结 果：
实施例6 本实施例的主要技术方案与实施例4基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实 施例4中的解释，在此不再进行寶述。
[0032] 本实施例的超分散光催化剂制备方法，具体步骤如下： (1) 取0.5g Ti出粉体，放置单口烧瓶中，然后加入去离子水25g，双氧水lOg，磁力揽拌 4小时，形成黄绿色浆料； (2) 加入Ig国内某公司HLB型纳米二氧化铁粉体。充分揽拌后，放入真空干燥箱60°C溫 度下干燥12小时，得到灰白色粉体； (3) 将粉体放入真空炉中600°C高溫般烧，得到蓝白色粉体； (4) 将粉体倒入正娃酸乙醋、丫-琉丙基立甲基硅烷的甲醇混合溶液中，揽拌2小时，超 声分散15分钟，得到半透明二氧化铁溶液为超分散光催化剂。
[0033] 在不同的初始溫度下，观察光催化剂对内燃机燃料燃烧情况的影响，得到W下结 果：
实施例7 本实施例中，本发明的超分散光催化剂直接应用于锅炉燃烧系统的燃烧催化。但需说 明的是，本发明的超分散光催化剂应用于燃料燃烧催化而不限于锅炉及汽车内燃机。
[0034] 最后应当说明的是，W上实施例仅用于说明本发明的技术方案说明而非对权利要 求保护范围的限制。本领域的普通技术人员参照较佳实施例应当理解，并可W对本发明的 技术方案进行修改或者等同替换，但属于本发明技术方案的实质相同和保护范围。
【主权项】
1. 一种超分散光催化剂，其特征在于:包括有以下重量份的组分： 醇类溶剂 90~110份 二氧化钛 2~6份 分散剂 10~14份， 二氧化钛的一次粒径为10~50nm，二次粒径小于100nm。2. 根据权利要求1所述的一种超分散光催化剂，其特征在于：包括有以下重量份的组 分： 醇类溶剂 100份 二氧化钛 4份 分散剂 12份。3. 根据权利要求1或2所述的一种超分散光催化剂，其特征在于:分散剂为正硅酸乙酯、 γ-巯丙基三甲基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷及丙基三甲氧基硅烷的 一种以上。4. 根据权利要求1或2所述的一种超分散光催化剂，其特征在于:醇类溶剂为甲醇。5. 根据权利要求1或2项所述的一种超分散光催化剂，其特征在于：二氧化钛的一次粒 径为25~30nm，二次粒径小于100nm。6. -种超分散光催化剂制备方法，其特征在于：用于制备权利要求1至5任意一项的超 分散光催化剂，包括有以下步骤， (1) 取1重量份的TiH2粉体置于反应器中，加入50~100重量份的水和15~20重量份的双氧 水，搅拌1~6小时，获得黄绿色浆料； (2) 往黄绿色浆料加入1~5重量份的纳米二氧化钛粉体，充分搅拌后，45~60°C真空干燥 10~14小时，得到灰白色粉体； (3 )将灰白色粉体真空高温煅烧，得到蓝白色粉体； (4)将蓝白色粉体加入到分散剂与醇类溶剂的混合液中，搅拌1.5~2.5小时，超声波分 散10~20分钟，得到半透明的二氧化钛溶液为超分散光催化剂。7. 根据权利要求6所述的一种超分散光催化剂制备方法，其特征在于:步骤(3)中，将灰 白色粉体放入真空炉中高温煅烧，煅烧温度为400~600°C。8. 根据权利要求6所述的一种超分散光催化剂制备方法，其特征在于： (1) 取1重量份的TiH2粉体，加入80重量份的水和17重量份的双氧水，搅拌3小时； (2) 加入2重量份的纳米二氧化钛粉体，充分搅拌后，50°C真空干燥12小时，得到灰白色 粉体； (3 )将灰白色粉体在真空高温煅烧，得到蓝白色粉体； (4)分散剂为正硅酸乙酯、γ -巯丙基三甲基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧 基硅烷及丙基三甲氧基硅烷的一种以上，醇类溶剂为甲醇，将蓝白色粉体加入到分散剂与 甲醇的混合液中，搅拌2小时，超声波分散15分钟，得到半透明的二氧化钛溶液。9. 超分散光催化剂的应用，其特征在于:权利要求1至8任意一项的超分散光催化剂应 用于燃料燃烧催化。10. 根据权利要求9所述的超分散光催化剂的应用，其特征在于:应用于内燃机二元燃 料体系的燃油燃烧催化，将超分散光催化剂根据需要用甲醇稀释任意倍数，通过内燃机甲
【文档编号】F02M25/00GK105833920SQ201610267420
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】蔡宏敏, 汪远昊, 崔辉然, 董翔
【申请人】天津蕙俐邦环保科技有限公司