專利名稱：消除小空間空氣污染物的納米四元光催化劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于全譜消除小空間中空氣污染物的納米四元光催化劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
由于現(xiàn)代工業(yè)的高度發(fā)達(dá)，各類高分子裝修材料，如油漆、涂料、粘合劑、殺蟲劑等大量引入人類生活空間(即所謂的小空間)，加之生活空間中，由于烹飪、吸煙等燃燒過程產(chǎn)生的含硫化合物(如硫化氫、二氧化硫)、氮氧化物、一氧化碳。有機(jī)質(zhì)腐敗分解及人和寵物排出的具有惡臭氣味的甲硫醇，氨氣及其他蛋白質(zhì)分解產(chǎn)物，使室內(nèi)空氣嚴(yán)重污染，由此引起的致病、致死、甚至對簿公堂的事件，也屢見不鮮。另外，某些可移動(dòng)空間(如客運(yùn)列車、長途汽車、輪船、飛機(jī)等)及公共場所(如醫(yī)院、商場、候車室、教室等)，由于人群密度較高，通風(fēng)不暢，污染物復(fù)雜而成為各類傳染病特別是突發(fā)性惡性流行疾病(如SARS、禽流感等)交叉感染，快速蔓延的主要途徑。因此，小空間中污染空氣的治理，對預(yù)防控制疾病，遏制突發(fā)性疾病的蔓延傳播，提高人民健康水平，保持國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)性發(fā)展，具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)效益，也是我國公共衛(wèi)生防疫系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分?，F(xiàn)有的以二氧化鈦為催化材料的研究，主要用于有機(jī)污染物的光催化氧化降解。缺乏對典型的無機(jī)污染物(如H2S、SO2、NH3、NOX、CO等)予以光解消除。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于全譜消除小空間中空氣污染物的納米四元光催化劑。它在紫外光的激發(fā)下，通過光催化反應(yīng)，可將人類生活、工作的小空間環(huán)境中的各種有機(jī)、無機(jī)污染物及各類致病微生物予以有效地消除。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種納米四元光催化劑的制備方法。
本發(fā)明消除小空間空氣污染物的納米四元光催化劑，由載體和三種活性組分組成，它是以納米二氧化鈦為載體(選自Degussa公司生產(chǎn)的商品，比表面≥50m2/g粒度20-30nm，納米二氧化鈦的比表面為≥50m2/g，粒度為20-30nm，金紅石與銳鈦礦含量之比為2∶8～3∶7)；活性組分A為氯鉑酸，鉑的含量為納米二氧化鈦載體重量的0.1-0.6％，優(yōu)選0.2-0.5％?；钚越M分B選自鋰、鉀、鎂金屬元素的氧化物中的一種，即選自Li2O，K2O，MgO中的一種，優(yōu)選Li2O；其金屬氧化物的擔(dān)載量為納米二氧化鈦重量的0.5-2％，優(yōu)選0.8-1.2％?；钚越M分C選自鐵、釩、鎳金屬元素氧化物中的一種，即選自Fe2O3、V2O5、NiO中的一種，優(yōu)選Fe2O3；其金屬氧化物的擔(dān)載量為納米二氧化鈦重量的3-6％，優(yōu)選2-5％。
本發(fā)明納米四元光催化劑的制備方法如下，首先進(jìn)行載體的處理步驟在擔(dān)載活性組分前，載體在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，經(jīng)400-700℃，處理2-4小時(shí)；然后在300-400℃，恒溫5-10小時(shí)；制備過程包括以下步驟(1)量取活性組分A濃度為0.0772M的氯鉑酸的水溶液0.33-1.90毫升，溶于適量25-45毫升的去離子水中，調(diào)節(jié)溶液pH值至4.8-6.2，優(yōu)選pH值為5.4-6.2，攪拌下緩慢浸入已處理的納米二氧化鈦粉體；(2)以上溶液中通氮?dú)?0-30分鐘，然后在充分?jǐn)嚢柘?，用紫外燈光照還原1-4小時(shí)；(3)以上漿料經(jīng)過濾并用去離子水反復(fù)洗滌后，在120-150℃的溫度下真空干燥12-24小時(shí)，得到Pt/nm-TiO2光催化劑；(4)稱取活性組分B的水溶性金屬鹽，溶入適量的25-45毫升離子水中，浸入步驟(3)中制備的Pt/nm-TiO2光催化劑；(5)攪拌20-30分鐘，70-90℃攪拌蒸干后，300-380℃空氣中焙燒3-5小時(shí)，再按步驟(3)洗滌干燥；(6)按步驟(5)制備的光催化劑，必須在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，400-600℃處理2-5小時(shí)，優(yōu)選氮處理溫度為450-500℃，處理時(shí)間為3-4小時(shí)；300-500℃恒溫2-4小時(shí)，緩慢降至室溫；以消除內(nèi)應(yīng)力，并在催化劑表面形成大量的氧缺位和活性中心。
(7)稱取活性組分C與步驟(6)制備的光催化劑混研0.5-1小時(shí)。即得成品催化劑。
利用本發(fā)明的納米四元光催化劑進(jìn)行光催化反應(yīng)，以全譜消除小空間中空氣污染物及殺滅致病菌的原理可解釋為當(dāng)能量大于或等于納米二氧化鈦半導(dǎo)體禁帶寬度Eg的光量子(hγ)，被半導(dǎo)體吸收后，半導(dǎo)體的價(jià)帶電子被激發(fā)至導(dǎo)帶成為自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中形成一個(gè)自由空穴，這種高能量的自由電荷，轉(zhuǎn)移到催化劑表面，可將吸附在催化劑表面的分子氧O2和微量水H2O，分別氧化還原為具有極高氧化能力的·O2-和·OH自由基(·OH自由基的氧還電位為2.8eV vs NHE遠(yuǎn)高于CL2，H2O2，O3等常規(guī)消毒劑的氧還電位)。它們在催化劑的特定部位(活性位)將進(jìn)一步使吸附在催化劑表面的各類有機(jī)、無機(jī)污染物分子不可逆地氧化降解(或還原)為無害產(chǎn)物，這種高能氧化劑及電子—空穴對還可直接進(jìn)攻細(xì)胞壁，使細(xì)胞核蛋白質(zhì)分解凝固，達(dá)到抑菌、殺菌目的。
本發(fā)明中的鉑組分承擔(dān)著光生電子的俘獲中心，和污染物分子吸附中心的雙重作用，堿金屬組分則可調(diào)節(jié)催化劑表面的酸堿度，有利于加速無機(jī)酸性分子(如H2S，SO2，CO等)的吸附速度，鐵組分由于具有特殊的變價(jià)性質(zhì)(Fe2+/3+)起著電子中繼物的作用，并可拓寬光譜響應(yīng)，提高光源的利用效率。
本發(fā)明的納米四元光催化劑，以短波紫外光(λ＜300nm)作為激發(fā)光源。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有顯著的特點(diǎn)和進(jìn)步1.現(xiàn)有的以二氧化鈦為催化材料的研究，主要用于有機(jī)污染物的光催化氧化降解，本發(fā)明所敘述的四元光催化劑，除有機(jī)污染物外，還可對典型的無機(jī)污染物(如H2S、SO2、NH3、NOX、CO等)予以光解消除。
2.本發(fā)明采用堿金屬組分，調(diào)節(jié)催化劑表面的酸堿度，提高了酸性污染物的吸附能力。
3.本發(fā)明以鐵組分，作為電子中繼物，提高了電荷轉(zhuǎn)移速度和光能利用效率。
4.本發(fā)明采用氮?dú)夥罩?，特定溫度下對催化劑進(jìn)行處理，使催化劑表面形成高濃度的氧缺位和給電子中心，有效提高了催化劑的催化活性。
本發(fā)明通過光催化反應(yīng)，可將封閉或半封閉小空間中的各類有機(jī)、無機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為無害產(chǎn)物，還可有效殺滅各類致病微生物。如甲醛、苯系物、硫化氫、氨氣、一氧化碳、氮氧化合物等予以降解消除，并可有效殺滅各類致病微生物和變異細(xì)菌。
具體實(shí)施例方式
下面的實(shí)施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
實(shí)施例1稱取5g納米二氧化鈦粉體(選自Degussa公司試劑)，置于管狀爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，450℃焙燒3小時(shí)，然后在350℃，恒溫8小時(shí)。
量取濃度為0.0772M氯鉑酸水溶液0.8ml，加入30ml去離子水中，調(diào)節(jié)溶液pH值至5，攪拌下緩慢浸入已處理的納米二氧化鈦粉體，漿液用氮?dú)獯祾?0分鐘后，在充分?jǐn)嚢柘?，用紫外燈光照還原2小時(shí)，然后過濾、洗滌除去殘留的氯離子，最后，過濾并在真空干燥箱中，100℃的溫度下真空干燥12小時(shí)，粉碎研細(xì)，即制得Pt/nm-TiO2光催化劑1。
稱取156毫克B活性組分MgO溶入32毫升去離子水中，浸入以上制得的光催化劑1，電磁攪拌20分鐘，80℃攪拌蒸干后，350℃空氣中焙燒3小時(shí)，得光催化劑2。
制備的光催化劑2，再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，450℃處理2小時(shí)，350℃恒溫2小時(shí)，緩慢降至室溫。
稱取150毫克C活性組分V2O5與光催化劑2均勻混合后，研磨0.5小時(shí)，即制得成品催化劑。
取5克成品催化劑，均勻涂敷在750cm2的多孔惰性載體上，在12W的紫外燈(λ＝253.7nm)照射下，在24M3的封閉空間中，循環(huán)反應(yīng)1小時(shí)，可使初濃度為1.0mg/m3的H2S降解86％，使?jié)舛葹?.2mg/m3的甲醛降解82％。
實(shí)施例2稱取5g納米二氧化鈦粉體(選自Degussa公司試劑)，置于管狀爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，400℃焙燒2小時(shí)，然后在300℃，恒溫10小時(shí)。
量取濃度為0.0772M氯鉑酸水溶液0.33ml，加入25ml去離子水中，調(diào)節(jié)溶液pH值至6，攪拌下緩慢浸入已處理的納米二氧化鈦粉體，漿液用氮?dú)獯祾?0分鐘后，在充分?jǐn)嚢柘?，用紫外燈光照還原3小時(shí)，然后過濾、洗滌除去殘留的氯離子，最后，過濾并在真空干燥箱中，120℃的溫度下真空干燥15小時(shí)，粉碎研細(xì)，即制得Pt/nm-TiO2光催化劑1。
稱取312毫克B活性組分MgO溶入25毫升去離子水中，浸入以上制得的光催化劑1，電磁攪拌30分鐘，70℃攪拌蒸干后，400℃空氣中焙燒4小時(shí)，得光催化劑2。
制備的光催化劑2，再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，400℃處理3小時(shí)，300℃恒溫3小時(shí)，緩慢降至室溫。
稱取150毫克C活性組分V2O5與光催化劑2均勻混合后，研磨1小時(shí)，即制得成品催化劑。
在相同條件下對硫化氫的降解率為90％，對甲醛的降解率為84％。
實(shí)施例3稱取5g納米二氧化鈦粉體(選自Degussa公司試劑)，置于管狀爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，700℃焙燒4小時(shí)，然后在400℃，恒溫5小時(shí)。
量取濃度為0.0772M氯鉑酸水溶液1.9ml，加入45ml去離子水中，調(diào)節(jié)溶液pH值至4.8，攪拌下緩慢浸入已處理的納米二氧化鈦粉體，漿液用氮?dú)獯祾?0分鐘后，在充分?jǐn)嚢柘?，用紫外燈光照還原1小時(shí)，然后過濾、洗滌除去殘留的氯離子，最后，過濾并在真空干燥箱中，150℃的溫度下真空干燥24小時(shí)，粉碎研細(xì)，即制得Pt/nm-TiO2光催化劑1。
稱240毫克B活性組分K2O溶入45毫升去離子水中，浸入以上制得的光催化劑1，電磁攪拌25分鐘，90℃攪拌蒸干后，300℃空氣中焙燒3.5小時(shí)，得光催化劑2。
制備的光催化劑2，再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，600℃處理5小時(shí)，500℃恒溫4小時(shí)，緩慢降至室溫。
稱取150毫克C活性組分V2O5與光催化劑2均勻混合后，研磨1小時(shí)，即制得成品催化劑，在相同條件下對硫化氫的降解率為92％，對甲醛的降解率為85％。
實(shí)施例4稱取5g納米二氧化鈦粉體(選自Degussa公司試劑)，置于管狀爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，500℃焙燒4小時(shí)，然后在400℃，恒溫6小時(shí)。
量取濃度為0.0772M氯鉑酸水溶液0.7ml，加入35ml去離子水中，調(diào)節(jié)溶液pH值至6.2，攪拌下緩慢浸入已處理的納米二氧化鈦粉體，漿液用氮?dú)獯祾?5分鐘后，在充分?jǐn)嚢柘拢米贤鉄艄庹者€原4小時(shí)，然后過濾、洗滌除去殘留的氯離子，最后，過濾并在真空干燥箱中，110℃的溫度下真空干燥18小時(shí)，粉碎研細(xì)，即制得Pt/nm-TiO2光催化劑1。
稱126毫克B活性組分Li2O溶入28毫升去離子水中，浸入以上制得的光催化劑1，電磁攪拌23分鐘，75℃攪拌蒸干后，320℃空氣中焙燒4.5小時(shí)，得光催化劑2。
制備的光催化劑2，再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，500℃處理4小時(shí)，400℃恒溫4小時(shí)，緩慢降至室溫。
稱取150毫克C活性組分V2O5與光催化劑2均勻混合后，研磨1小時(shí)，即制得成品催化劑，在相同條件下對硫化氫的降解率為94％，對甲醛的降解率為86％。
實(shí)施例5稱取5g納米二氧化鈦粉體(選自Degussa公司試劑)，置于管狀爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，600℃焙燒4小時(shí)，然后在400℃，恒溫7小時(shí)。
量取濃度為0.0772M氯鉑酸水溶液1.1ml，加入40ml去離子水中，調(diào)節(jié)溶液pH值至6，攪拌下緩慢浸入已處理的納米二氧化鈦粉體，漿液用氮?dú)獯祾?5分鐘后，在充分?jǐn)嚢柘?，用紫外燈光照還原4小時(shí)，然后過濾、洗滌除去殘留的氯離子，最后，過濾并在真空干燥箱中，130℃的溫度下真空干燥21小時(shí)，粉碎研細(xì)，即制得Pt/nm-TiO2光催化劑1。
稱126毫克B活性組分Li2O溶入35毫升去離子水中，浸入以上制得的光催化劑1，電磁攪拌28分鐘，85℃攪拌蒸干后，370℃空氣中焙燒4.5小時(shí)，得光催化劑2。
制備的光催化劑2，再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，550℃處理4小時(shí)，450℃恒溫4小時(shí)，緩慢降至室溫。
稱取C活性組分100毫克的NiO與光催化劑2均勻混合后，研磨1小時(shí)，即制得成品催化劑，有相同條件下對硫化氫的降解率為96％，對甲醛的降解率為86％。
實(shí)施例6稱取5g納米二氧化鈦粉體(選自Degussa公司試劑)，置于管狀爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，550℃焙燒4小時(shí)，然后在400℃，恒溫9小時(shí)。
量取濃度為0.0772M氯鉑酸水溶液5ml，加入40ml去離子水中，調(diào)節(jié)溶液pH值至6，攪拌下緩慢浸入已處理的納米二氧化鈦粉體，漿液用氮?dú)獯祾?5分鐘后，在充分?jǐn)嚢柘?，用紫外燈光照還原4小時(shí)，然后過濾、洗滌除去殘留的氯離子，最后，過濾并在真空干燥箱中，130℃的溫度下真空干燥17小時(shí)，粉碎研細(xì)，即制得Pt/nm-TiO2光催化劑1。
稱126毫克B活性組分Li2O溶入38毫升去離子水中，浸入以上制得的光催化劑1，電磁攪拌28分鐘，85℃攪拌蒸干后，370℃空氣中焙燒4.5小時(shí)，得光催化劑2。
制備的光催化劑2，再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，550℃處理4小時(shí)，450℃恒溫4小時(shí)，緩慢降至室溫。
稱取C活性組分250毫克的Fe2O3與光催化劑2均勻混合后，研磨1小時(shí)，即制得成品催化劑，在相同條件下對硫化氫的降解率為98％，對甲醛的降解率為89.5％。
實(shí)施例7稱取5g納米二氧化鈦粉體(選自Degussa公司試劑)，置于管狀爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，650℃焙燒4小時(shí)，然后在400℃，恒溫9小時(shí)。
量取濃度為0.0772M氯鉑酸水溶液1.7ml，加入40ml去離子水中，調(diào)節(jié)溶液pH值至5.4-5.8，攪拌下緩慢浸入已處理的納米二氧化鈦粉體，漿液用氮?dú)獯祾?5分鐘后，在充分?jǐn)嚢柘拢米贤鉄艄庹者€原4小時(shí)，然后過濾、洗滌除去殘留的氯離子，最后，過濾并在真空干燥箱中，130℃的溫度下真空干燥22小時(shí)，粉碎研細(xì)，即制得Pt/nm-TiO2光催化劑1。
稱126毫克B活性組分Li2O溶入41毫升去離子水中，浸入以上制得的光催化劑1，電磁攪拌28分鐘，85℃攪拌蒸干后，370℃空氣中焙燒4.5小時(shí)，得光催化劑2。
制備的光催化劑2，再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，550℃處理4小時(shí)，450℃恒溫4小時(shí)，緩慢降至室溫。
稱取C活性組分300毫克的Fe2O3與光催化劑2均勻混合后，研磨1小時(shí)，即制得成品催化劑，在相同條件下對硫化氫的降解率為99％，對甲醛的降解率為92％。
權(quán)利要求
1.一種消除小空間空氣污染物的納米四元光催化劑，其特征在于它由載體和三種活性組分組成，它是以納米二氧化鈦為載體，納米二氧化鈦的比表面為≥50m2/g，粒度為20-30nm，金紅石與銳鈦礦含量之比為2∶8～3∶7；活性組分A為氯鉑酸，鉑的含量為納米二氧化鈦載體重量的0.1-0.6％；活性組分B選自鋰、鉀、鎂金屬元素的氧化物中的一種，其金屬氧化物的擔(dān)載量為納米二氧化鈦重量的0.5-2％；活性組分C選自鐵、釩、鎳金屬元素氧化物中的一種，其金屬氧化物的擔(dān)載量為納米二氧化鈦重量的2-6％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除小空間空氣污染物的納米四元光催化劑，其特征在于鉑的含量為納米二氧化鈦載體重量的0.2-0.5％，活性組分B的擔(dān)載量為納米二氧化鈦重量的0.8-1.2％，活性組分C的擔(dān)載量為納米二氧化鈦重量的3-5％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的消除小空間空氣污染物的納米四元光催化劑，其特征在于活性組分B選自Li2O，K2O，MgO中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消除小空間空氣污染物的納米四元光催化劑，其特征在于活性組分B為Li2O。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的消除小空間空氣污染物的納米四元光催化劑，其特征在于活性組分C選自Fe2O3、V2O5、NiO中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的消除小空間空氣污染物的納米四元光催化劑，其特征在于活性組分C為Fe2O3。
7.權(quán)利要求4或6所述納米四元光催化劑的制備方法，其特征在于首先進(jìn)行載體的處理步驟在擔(dān)載活性組分前，載體在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，經(jīng)400-700℃，處理2-4小時(shí)；然后在300-400℃，恒溫5-10小時(shí)；制備過程包括以下步驟(1)量取活性組分A濃度為0.0772M的氯鉑酸的水溶液0.33-1.90毫升，溶于25-45毫升的去離子水中，調(diào)節(jié)溶液pH值至4.8-6.2，攪拌下緩慢浸入已處理的納米二氧化鈦粉體；(2)以上溶液中通氮?dú)?0-30分鐘，然后在充分?jǐn)嚢柘?，用紫外燈光照還原1-4小時(shí)；(3)以上漿料經(jīng)過濾并用去離子水反復(fù)洗滌后，在100-150℃的溫度下真空干燥12-24小時(shí)，得到Pt/nm-TiO2光催化劑；(4)稱取活性組分B的水溶性金屬鹽，溶入的25-45毫升離子水中，浸入步驟(3)中制備的Pt/nm-TiO2光催化劑；(5)攪拌20-30分鐘，70-90℃攪拌蒸干后，300-400℃空氣中焙燒3-5小時(shí)；(6)按步驟(5)制備的光催化劑，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，400-600℃處理2-5小時(shí)，300-500℃恒溫2-4小時(shí)，緩慢降至室溫；(7)稱取活性組分C與步驟(6)制備的光催化劑混研0.5-1小時(shí)，即得成品催化劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納米四元光催化劑的制備方法，其特征在于活性組分A浸漬液的pH值為5.4-6.2。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納米四元光催化劑的制備方法，其特征在于在制備過程步驟(6)中氮處理溫度為450-500℃，處理時(shí)間為3-4小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于全譜消除小空間中空氣污染物的納米四元光催化劑及其制備方法。本發(fā)明光催化劑是以納米二氧化鈦為載體；活性組分A為氯鉑酸，鉑的含量為納米二氧化鈦載體重量的0.1－0.6％；活性組分B選自鋰、鉀、鎂金屬元素的氧化物中的一種，其金屬氧化物的擔(dān)載量為納米二氧化鈦重量的0.5－2％；活性組分C選自鐵、釩、鎳金屬元素氧化物中的一種，其金屬氧化物的擔(dān)載量為納米二氧化鈦重量的3－6％。本發(fā)明光催化劑的制備方法為首先進(jìn)行載體的處理，然后進(jìn)入制備過程。本發(fā)明在紫外光的激發(fā)下，通過光催化反應(yīng)，可將人類生活、工作的封閉或半封閉小空間環(huán)境中的各種有機(jī)、無機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為無害產(chǎn)物，還有效殺滅各類致病微生物。
文檔編號(hào)B01J23/89GK101032687SQ20071001760
公開日2007年9月12日 申請日期2007年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月28日
發(fā)明者朱世鈞, 李慶霖, 莫?dú)J軍 申請人:白銀派森電器有限責(zé)任公司