一種適應(yīng)公路隧道照明條件的改性納米二氧化鈦制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種適應(yīng)公路隧道照明條件下的改性納米二氧化鈦(T12)制備方法，用于提高T12對隧道內(nèi)可見光的吸收利用率和光催化活性，降低隧道內(nèi)汽車尾氣濃度，屬于隧道污染治理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國大型公路隧道、城市地下通道的數(shù)量以及汽車保有量不斷增大，隧道內(nèi)交通量逐漸增加。由于隧道獨(dú)特的半封閉管狀結(jié)構(gòu)，排風(fēng)不暢，導(dǎo)致隧道內(nèi)的汽車尾氣濃度明顯高于隧道外，產(chǎn)生嚴(yán)重空氣污染，并污染隧道內(nèi)設(shè)施，危害司乘人員的健康。尤其是當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重堵車情況時(shí)，汽車排放的尾氣不能及時(shí)排出，大量累積，尾氣濃度將快速升高，當(dāng)其濃度達(dá)到一定程度時(shí)，會致人昏迷，甚至死亡。采取措施治理隧道內(nèi)汽車尾氣成為亟需解決的問題。
[0003]目前隧道中主要采用的是安裝通風(fēng)設(shè)備等物理方法來稀釋隧道內(nèi)的汽車尾氣，并不能起到用化學(xué)方法去除的實(shí)質(zhì)性降解作用，隨著光催化技術(shù)在環(huán)境治理的推廣和應(yīng)用，近年來，道路工作研究者們考慮從汽車的載體一一道路材料入手開發(fā)一種新型的可降解汽車尾氣的路面材料。至今這項(xiàng)新技術(shù)在國際上已取得了一定的成果，證實(shí)了其應(yīng)用的可行性。
[0004]在光催化材料中，1102作為新型半導(dǎo)體(η型)材料，其化學(xué)性能穩(wěn)定。由于半導(dǎo)體能帶不連續(xù)，在波長小于一定范圍的光照射下，能帶吸收能量高于其禁帶寬度的波長光的輻射，產(chǎn)生電子躍迀，形成空穴OO和光生電子(e)對，從而產(chǎn)生活性很強(qiáng)的自由基和超氧離子等活性氧，易將有機(jī)物和有害氣體催化分解。因此，納米打02以其無毒、光催化活性高、穩(wěn)定性高、氧化能力強(qiáng)、能耗低、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用在低濃度廢水處理、貴金屬回收、空氣凈化、涂料表面自潔等領(lǐng)域。基于T12的光催化特性，國內(nèi)外研究者將光催化材料T12應(yīng)用于路面材料中并提出一套尾氣降解能力的試驗(yàn)方法和評價(jià)指標(biāo)，利用自主設(shè)計(jì)的測試設(shè)備對影響尾氣降解能力的因素進(jìn)行研究。日本、英國、意大利等國家已經(jīng)開始了這方面的研究并通過對實(shí)際測試路段的分析總結(jié)，取得了一定的成果。國內(nèi)目前也已經(jīng)開展了相關(guān)的研究并取得一定進(jìn)展。
[0005]但是，T12作為光催化降解材料還存在一些問題需要解決。首先，T1 2禁帶寬度比較寬，它只能吸收波長等于或小于387nm、僅占到了太陽能5%的紫外光，而占太陽能約43%的可見光并不能得到充分利用，導(dǎo)致T12光催化劑對太陽能的吸收利用很低；其次，T12在受到大于它的禁帶寬度的光照射之后，產(chǎn)生的電子(e )和空穴QO極易復(fù)合，導(dǎo)致其來不及迀移到物質(zhì)的表面發(fā)生有效的氧化還原反應(yīng)，因此光轉(zhuǎn)化效率比較低；最后，由于隧道是半封閉環(huán)境，不能接收太陽光照射，隧道內(nèi)照明燈光波長不同，光強(qiáng)不足，T12的能帶隙較寬，普通打02粒子難以在隧道燈光照射下激發(fā)電子，繼而起到光催化降解汽車尾氣的作用。
[0006]為了解決上述問題，研究者開始致力于對T12的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。T12做為一種半導(dǎo)體光催化劑，其晶型，精粒尺寸，貴金屬沉積，半導(dǎo)體耦合、金屬離子修飾、表面羥基等都可對其光催化效率產(chǎn)生影響，尤其是過渡金屬離子的摻雜，理論上可在T12粒子晶格中引入缺陷位置或改變結(jié)晶度，影響電子與空穴對的復(fù)合，捕獲電子使其難于空穴復(fù)合以提高光生電子產(chǎn)生率，進(jìn)而提高光催化效率。因此，分析二氧化鈦的光催化機(jī)理，晶格結(jié)構(gòu)，針對其光催化特性對T12進(jìn)行過渡金屬摻雜改性以提高其在可見光下的光催化效率從而改善隧道氣體環(huán)境具有實(shí)際的意義。
[0007]所以，本專利基于公路隧道內(nèi)光照條件和T12光催化機(jī)理，了解1102晶格結(jié)構(gòu)，提出過渡金屬改性納米打02的方法，減小T1 2禁帶寬度，將吸收光波長的范圍擴(kuò)展到可見光區(qū)，提高T12對隧道內(nèi)可見光的吸收利用率和光催化活性；減少光生電子(e )和空穴(h+)復(fù)合，促進(jìn)T12有效的氧化還原反應(yīng)能力，提高其光轉(zhuǎn)化效率。從而本專利提出一種適應(yīng)公路隧道照明環(huán)境下的1102改性方法，為降低隧道內(nèi)汽車尾氣濃度提出具有實(shí)際意義的實(shí)施方案，對減少隧道空氣凈化成本，凈化隧道空氣環(huán)境具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008](I)技術(shù)問題
[0009]目前隧道內(nèi)除了采用物理通風(fēng)方法稀釋隧道內(nèi)汽車尾氣濃度外，缺乏有效的化學(xué)降解汽車尾氣方法。本發(fā)明是一種基于公路隧道特殊照明環(huán)境，對納米1102進(jìn)行改性，從而可以使其可用于隧道內(nèi)路面或襯砌表面，吸附并降解隧道汽車尾氣，解決納米T12由于其自身禁帶寬度較寬，在隧道內(nèi)特定照明波長和強(qiáng)度下光催化效率低下的問題。
[0010]⑵技術(shù)方案
[0011]由于隧道內(nèi)特殊的光照條件，影響T12光催化活性。本專利首先分析T12的光催化機(jī)理，確定制備方法，再選用鐵離子作為改性劑，采用溶膠-凝膠法制備納米T12的基礎(chǔ)上，以鈦酸丁酯作為前驅(qū)體，九水合硝酸鐵為鐵離子摻雜源，恒溫磁力攪拌器攪拌下，得到淡黃色溶膠，陳化后在烘箱內(nèi)干燥制得干凝膠，最后在馬弗爐煅燒制得鐵離子摻雜改性納米T12,并根據(jù)X射線衍射儀、透射電鏡、紫外可見光漫反射、X射線電子能譜分析儀等測試結(jié)果和光催化降解實(shí)驗(yàn)效果，確定用于T12改性的鐵離子最佳摻量。
[0012](3)有益效果
[0013]目前隧道內(nèi)尾氣濃度的降低主要以物理通風(fēng)為主，只能起到稀釋隧道內(nèi)汽車尾氣的作用，難以有效降解汽車尾氣，且通風(fēng)設(shè)備的投資多，使用費(fèi)用高，提高了公路隧道的運(yùn)營成本。本發(fā)明從光催化納米T12入手，通過改性方法擴(kuò)展光催化材料的光響應(yīng)范圍，將吸收光波長的范圍擴(kuò)展到可見光區(qū)，使得納米T12能在隧道已有的照明條件下可進(jìn)行光催化作用。選取最佳摻量下的改性后納米1102應(yīng)用于隧道內(nèi)路面或襯砌表面，在隧道光照條件下，改性納米1102粉體接觸氣體污染物，發(fā)生光催化反應(yīng)，在一定程度上降解隧道內(nèi)的尾氣，能使隧道內(nèi)污染濃度降低，替代部分通風(fēng)設(shè)備的功能，節(jié)約隧道運(yùn)營成本，凈化隧道空氣環(huán)境，從而提高司乘人員在干凈、清潔的隧道環(huán)境中行駛的舒適性和安全性。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明是一種適應(yīng)公路隧道照明條件下的改性納米T12制備方法，用于提高T1 2對隧道內(nèi)可見光的吸收利用率和光催化活性，降低隧道內(nèi)汽車尾氣濃度，具體實(shí)施步驟如下:
[0015](I)以鈦酸丁酯為前驅(qū)體，與乙醇混合形成溶液A，由一定量的無水乙醇、冰醋酸、蒸餾水、濃鹽酸充分混合，形成溶液B，針對改性劑鐵離子不同摻量，按照鐵離子與T12的質(zhì)量百分比，換算得到九水合硝酸鐵的相應(yīng)質(zhì)量，電子天平稱取對應(yīng)質(zhì)量的九水合硝酸鐵加入到溶液B，采用玻璃棒攪拌均勻，充分混合，形成新的溶液B，置于分液漏斗中備用；
[0016](2)將制備好的溶膠在室溫下陳化七天后，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱設(shè)定溫度為80°C，將凝膠置于干燥箱中干燥24小時(shí)后，制得干凝膠，碾磨成粉末后在馬弗爐500°C下煅燒2小時(shí)，最終制得改性納米T12粉體；
[0017](3)利用X射線衍射儀、透射電鏡、紫外可見光漫反射儀、X射線電子能譜分析儀檢測手段對未摻雜和不同鐵離子濃度摻雜改性后的打02光催化納米粉體相結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)與成分、光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征、分析；
[0018](4)采用由密閉容器、照明燈管、進(jìn)氣裝置、排氣管和專業(yè)的汽車尾氣分析儀組成的自制光催化降解檢測裝置進(jìn)行汽車尾氣降解實(shí)驗(yàn)，分析未摻雜和不同鐵離子濃度摻雜改性后的打02光催化納米粉體對汽車尾氣降解效果；
[0019](5)根據(jù)不同鐵離子濃度摻雜改性后的納米T12相結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)與成分、光學(xué)性質(zhì)的分析結(jié)果以及對汽車尾氣的降解效果，綜合確定鐵離子最佳摻量，用于制備改性T12,以適應(yīng)隧道內(nèi)照明條件，提高T12光吸收率和光催化活性，降低隧道內(nèi)汽車尾氣濃度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.本發(fā)明是一種適應(yīng)公路隧道照明條件下的改性納米二氧化鈦(T12)制備方法，其特征在于該方法的具體步驟如下: (1)以鈦酸丁酯為前驅(qū)體，與乙醇混合形成溶液A，由一定量的無水乙醇、冰醋酸、蒸餾水、濃鹽酸充分混合，形成溶液B，針對改性劑鐵離子不同摻量，按照鐵離子與1102的質(zhì)量百分比，換算得到九水合硝酸鐵的相應(yīng)質(zhì)量，電子天平稱取對應(yīng)質(zhì)量的九水合硝酸鐵加入到溶液B，采用玻璃棒攪拌均勻，充分混合，形成新的溶液B，置于分液漏斗中備用； (2)將制備好的溶膠在室溫下陳化七天后，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱設(shè)定溫度為80°C，將凝膠置于干燥箱中干燥24小時(shí)后，制得干凝膠，碾磨成粉末后在馬弗爐500°C下煅燒2小時(shí)，最終制得改性納米T12粉體； (3)利用X射線衍射儀、透射電鏡、紫外可見光漫反射儀、X射線電子能譜分析儀對未摻雜和不同鐵離子濃度摻雜改性后的打02光催化納米粉體相結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)與成分、光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征、分析； (4)采用由密閉容器、照明燈管、進(jìn)氣裝置、排氣管和專業(yè)的汽車尾氣分析儀組成的自制光催化降解檢測裝置進(jìn)行汽車尾氣降解實(shí)驗(yàn)，分析未摻雜和不同鐵離子濃度摻雜改性后的打02光催化納米粉體對汽車尾氣降解效果； (5)根據(jù)不同鐵離子濃度摻雜改性后的納米T12相結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)與成分、光學(xué)性質(zhì)的分析結(jié)果以及對汽車尾氣的降解效果，綜合確定鐵離子最佳摻量，用于制備改性T12,以適應(yīng)隧道內(nèi)照明條件，提高T12光吸收率和光催化活性，降低隧道內(nèi)汽車尾氣濃度。
【專利摘要】本發(fā)明是一種適應(yīng)公路隧道照明條件的改性納米二氧化鈦(TiO2)制備方法，屬于隧道污染治理技術(shù)領(lǐng)域，解決TiO2在隧道照明波長和強(qiáng)度下光催化效率低下的問題。先分析TiO2的光催化機(jī)理，確定制備方法，再選用鐵離子作為改性劑，采用溶膠-凝膠法制備納米TiO2，以鈦酸丁酯為前驅(qū)體，九水合硝酸鐵為鐵離子摻雜源，恒溫磁力攪拌器攪拌下，制得淡黃色溶膠，陳化后在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥制得干凝膠，最后在馬弗爐中煅燒制得鐵離子摻雜改性TiO2，根據(jù)X射線衍射儀、透射電鏡、紫外可見光漫反射儀、X射線電子能譜分析儀測試結(jié)果和光催化降解實(shí)驗(yàn)效果，確定用于TiO2改性的鐵離子最佳摻量，以適應(yīng)隧道照明條件，提高TiO2光吸收率和光催化活性，降低隧道汽車尾氣濃度。
【IPC分類】C01G23/08, B01J20/30, B01J20/06, B01J21/06, B01D53/94, C01G23/053
【公開號】CN105214600
【申請?zhí)枴緾N201510589063
【發(fā)明人】許濤, 方博文, 李國芬, 王宏暢
【申請人】南京林業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年9月14日