涂料技术
纳米光触媒的合成工艺及其应用研究
纳米TiO2在环境净化、太阳能转换和储存、二氧化碳还原、有害复杂有机物降解、抗菌等方面都有很广阔的应用前景[1-3]。纳米TiO2粉体的制备方法包括物理法和化学法[4-8]。目前,纳米TiO2粉末工业化进程迅速,大规模生产技术日趋成熟。目前,一种叫纳米光触媒的产品在市面上开始流行,而光触媒中的主要成分就是纳米TiO2颗粒。这种产品具有光催化降解有机物质和抗菌效能。但是,一般的制备技术是先制备纳米TiO2粉末,然后再分散于水中,因此,不可避免要加入一定的有机助剂,如分散剂、稳定剂以防止纳米颗粒团聚形成沉淀。这不仅增加生产工序,提高了生产成本,而且加入有机助剂会带来二次污染。因此,这种方法制备的纳米光触媒乳液很难符合环保要求。本文拟采用TiOSO4原料通过水热沉淀技术制备纳米光触媒乳液,由于其原料来源广泛、成本低廉,是大规模、低成本制备纳米光触媒乳液的重要途径。
1.实验部分
1.1原料和仪器
硫酸氧钛:化学纯,辽宁丹东化学试剂厂;柠檬酸:分析纯,天津市大茂化学试剂厂;亚甲基兰、氨水:分析纯、30%过氧化氢:分析纯,广州市东红化工厂。RigakuD/max2550VB118kW转靶X射线衍射仪(XRD):日本Rigaku(理学)公司;透射电子显微镜(TEM):Philips公司;UV-2800AH紫外可见光分光光度:日本岛津公司。
1.2纳米光触媒乳液的制备
将3.00g的TiOSO4置于500mL烧杯中,加入150mL去离子水,搅拌使之充分溶解后,用氨水调节pH值至8,继续搅拌20min后过滤洗涤3次。将过滤后的固体溶解于250mL去离子水后,加入10g柠檬酸,并用氨水将pH值调至8左右,搅拌20min后,过滤洗涤2次。所得滤渣用300mL去离子水溶解。然后往溶液加入13g氧化剂,搅拌30min后,静置12h,将此溶液在100℃水浴中搅拌加热6h,冷却,即得到纳米光触媒乳液。
1.3表征
取少量样品用水稀释,取少量稀释液均匀分布于镀有膜的铜网上,40℃干燥1h,用透射电子显微镜观察样品的形貌和粒径。采用RigakuD/max2550VB118kW转靶X射线衍射仪(XRD)测定样品的晶相结构,并根据Scherrer方程计算晶粒尺寸,样品的物相用带有CuKα辐射源的D/max-γA型X射线衍射仪在10~80°范围内扫描测定,扫描速度为8°/min。Cu靶的工作管电压为40kV,管电流为300mA。
1.4光催化活性评价
取20mL亚甲基蓝(20mg/L)为目标降解物放入烧杯中,加入5mL纳米二氧化钛溶液,混合均匀后置于有紫外灯管辐照的反应暗箱内进行光照。反应2h后用UV-2800AH紫外可见光分光光度计测定亚甲基蓝在最大吸收波长664nm的吸收度A,根据Beer定律计算脱色率。
2.结果与讨论
2.1水解溶液pH值对光触媒催化活性的影响
用氨水分别调节水解溶液的pH值为7.7、7.9、8.1、8.3、8.5[6],测定吸光度,计算脱色率。不同水解环境pH值对光触媒光催化效率的影响见图1。
1.实验部分
1.1原料和仪器
硫酸氧钛:化学纯,辽宁丹东化学试剂厂;柠檬酸:分析纯,天津市大茂化学试剂厂;亚甲基兰、氨水:分析纯、30%过氧化氢:分析纯,广州市东红化工厂。RigakuD/max2550VB118kW转靶X射线衍射仪(XRD):日本Rigaku(理学)公司;透射电子显微镜(TEM):Philips公司;UV-2800AH紫外可见光分光光度:日本岛津公司。
1.2纳米光触媒乳液的制备
将3.00g的TiOSO4置于500mL烧杯中,加入150mL去离子水,搅拌使之充分溶解后,用氨水调节pH值至8,继续搅拌20min后过滤洗涤3次。将过滤后的固体溶解于250mL去离子水后,加入10g柠檬酸,并用氨水将pH值调至8左右,搅拌20min后,过滤洗涤2次。所得滤渣用300mL去离子水溶解。然后往溶液加入13g氧化剂,搅拌30min后,静置12h,将此溶液在100℃水浴中搅拌加热6h,冷却,即得到纳米光触媒乳液。
1.3表征
取少量样品用水稀释,取少量稀释液均匀分布于镀有膜的铜网上,40℃干燥1h,用透射电子显微镜观察样品的形貌和粒径。采用RigakuD/max2550VB118kW转靶X射线衍射仪(XRD)测定样品的晶相结构,并根据Scherrer方程计算晶粒尺寸,样品的物相用带有CuKα辐射源的D/max-γA型X射线衍射仪在10~80°范围内扫描测定,扫描速度为8°/min。Cu靶的工作管电压为40kV,管电流为300mA。
1.4光催化活性评价
取20mL亚甲基蓝(20mg/L)为目标降解物放入烧杯中,加入5mL纳米二氧化钛溶液,混合均匀后置于有紫外灯管辐照的反应暗箱内进行光照。反应2h后用UV-2800AH紫外可见光分光光度计测定亚甲基蓝在最大吸收波长664nm的吸收度A,根据Beer定律计算脱色率。
2.结果与讨论
2.1水解溶液pH值对光触媒催化活性的影响
用氨水分别调节水解溶液的pH值为7.7、7.9、8.1、8.3、8.5[6],测定吸光度,计算脱色率。不同水解环境pH值对光触媒光催化效率的影响见图1。
由图1可以看到,在相同反应时间下,光触媒的光催化效率随着pH值的增大而增强,当溶液的pH值到达8.1时达到最大值,然后随着pH值的增大而减弱。pH值为8.1时的降解效果最好,即pH为8.1时的聚沉效果最好。这是因为如果溶液碱性太弱,聚集将不明显;碱性太强硫酸氧钛的水解产物氢氧化钛TiO(OH)2将会在高浓度的OH-作用下,生成TiO2颗粒并聚集而沉聚下来[9]。此时再用柠檬酸胶溶时,其效果将大大降低。
2.2氧化剂对反应的影响
过氧化氢可以使锐钛结构的微粒子表面产生过氧基(即络合基),当此微粒子分散于水中后,表面存在的过氧基会发生极化,增大了微粒子间的相互排斥力,促使微粒子不会发生相互间的凝聚,同时也不会发生沉淀,所以制成的溶液可在常温之下长期保存,不发生其他的物理与化学变性。加入过氧化氢的量应适中,如果量太少,氢氧化钛不能完全溶解,如果量太多,要分解过剩的过氧化基则需要大量的时间,使反应效率降低。
2.2氧化剂对反应的影响
过氧化氢可以使锐钛结构的微粒子表面产生过氧基(即络合基),当此微粒子分散于水中后,表面存在的过氧基会发生极化,增大了微粒子间的相互排斥力,促使微粒子不会发生相互间的凝聚,同时也不会发生沉淀,所以制成的溶液可在常温之下长期保存,不发生其他的物理与化学变性。加入过氧化氢的量应适中,如果量太少,氢氧化钛不能完全溶解,如果量太多,要分解过剩的过氧化基则需要大量的时间,使反应效率降低。
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