復合光催化涂層的制備方法以及制得的復合光催化涂層的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及復合光催化涂層領(lǐng)域，具體而言，涉及復合光催化涂層的制備方法以及制得的復合光催化涂層。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化鈦光催化劑因催化性能高、化學性質(zhì)穩(wěn)定、無毒和價格低廉等一系列特性，在空氣凈化、水凈化、自清潔、抗菌殺毒等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。雖然納米顆粒因比表面積大可使單位重量的光催化性能大幅提高，但因透氣性差及后續(xù)回收再利用成本高昂，使得二氧化鈦納米粉末的應用受到極大的限制。因此，光催化的應用研究趨向于使二氧化鈦固定在基板上，例如薄膜/涂層化。
[0003]二氧化鈦薄膜/涂層的制備方法主要包括物理氣相沉積法(PVD)、化學氣相沉積法(CVD)、直接氧化法、溶膠-凝膠法和水熱法等方法。物理氣相沉積法是在真空條件下，采用物理方法使靶材表面氣化成原子、分子或者部分離子，然后沉積到基材表面形成薄膜的方法。物理氣相沉積法不斷延伸發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出真空蒸鍍、濺射鍍膜、分子束外延法、離子鍍膜、電弧等離子體鍍膜一系列方法。物理氣相沉積法制備二氧化鈦薄膜的過程如圖1所示?；瘜W氣相沉積法是將一種或者幾種單質(zhì)或者化合物氣體通入放有基材的反應室，借助空間氣相化學反應在基材表面沉積固態(tài)薄膜的技術(shù)?；瘜W氣相沉積法制備二氧化鈦薄膜的過程如圖2所示。
[0004]直接氧化法是利用氧化劑氧化或陽極氧化金屬鈦得到二氧化鈦納米薄膜的方法。氧化劑氧化法的一個典型工藝過程是將清洗干凈的純鈦板放置在50毫升溫度為80攝氏度的質(zhì)量濃度為30%的過氧化氫溶液中72小時，最后可以得到二氧化鈦納米棒狀薄膜。陽極氧化是通過鈦箔的陽極氧化獲得二氧化鈦薄膜的。典型的制備工藝是將潔凈的鈦箔放置在
0.5%氫氟酸中以鉑作為另一端電極，通入10?20伏的電壓保持10-30分鐘，然后再在氧氣氣氛中將鈦箔在500攝氏度下退火6小時最終得到二氧化鈦納米管狀薄膜。
[0005]溶膠-凝膠法是利用氯化鈦與各種不同的提供氧的分子的反應，例如:與堿金屬氧化物或者有機醚反應，制取二氧化鈦薄膜的方法。
[0006]TiX4+Ti (0R)4^2Ti02+4RX
[0007]TiX4+2R0R^Ti02+4RX
[0008]水熱法是在密閉的壓力容器中，以水為溶劑在高溫高壓的條件下進行化學反應的制備方法。二氧化鈦薄膜的典型水熱制備過程是潔凈的純鈦箔在80攝氏度環(huán)境下載過氧化氫或者硝酸溶液中處理20-120分鐘，然后用去離子水清洗在140攝氏度下干燥30分鐘，然后放入反應釜中然后再在反應釜中加入氨水溶液，使反應釜保持在150-200攝氏度維持2-24小時，然后自然冷卻后取出干燥。
[0009]無論是物理氣相沉積法、化學氣相沉積法，還是直接氧化法、溶膠-凝膠法和水熱法等其他方法，在制備二氧化鈦薄膜的過程中都存在著各種問題，比如:物理氣相沉積法和化學氣相沉積法都需要大型專用設(shè)備，有些還需要真空環(huán)境和加熱條件;而直接氧化法則過程需要較長時間，溶膠-凝膠法和水熱法則過程繁瑣?？傊鲜鲋苽涔に囋谥苽涠趸伇∧せ蛘咄繉拥倪^程中，或是設(shè)備成本投入大，或是制備效率低，這就提高了二氧化鈦薄膜或者涂層的制備成本，對二氧化鈦的實際應用都起到了很大的限制作用。
[0010]有鑒于此，特提出本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的第一目的在于提供一種復合光催化涂層的制備方法，所述的方法只需要球磨機和熱處理爐，制備時間僅需數(shù)小時，設(shè)備投入成本低，制備效率高，可以極大的降低涂層的制備成本，有力推動復合光催化涂層的商品化和實用化。
[0012]本發(fā)明的第二目的在于提供一種所述的復合光催化涂層的制備方法制成的復合光催化涂層，該涂層具有獨特微觀結(jié)構(gòu)的金屬氧化物功能涂層。
[0013]為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術(shù)方案:
[0014]—種復合光催化涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0015]涂覆材料采用球磨的方式對基體進行涂層，得到涂覆體；
[0016]將所述涂覆體進行熱處理，所述熱處理的條件為:在溫度為973K?1273K的條件下保持2?15小時；
[0017]所述基體為AI2O3陶瓷體、金屬體、合金體中的任一種或多種;所述涂覆材料為TiC粉末、二氧化鈦粉末、金屬粉末、合金粉末中的任一種或多種。
[0018]本發(fā)明提供的復合光催化涂層，對在機械涂覆過程中形成的涂層進行直接熱氧化處理形成各種功能涂層。因為在機械涂覆過程中金屬粉末承受了巨大的沖擊力和摩擦力，因此其材料的微觀組織中引入了微觀應力甚至是超微觀應力，使得最終形成的金屬涂層的微觀結(jié)構(gòu)甚至是原子和電子結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著地變化。在隨后的直接熱氧化中，發(fā)生一系列的物理及化學變化，最終形成了具有獨特微觀結(jié)構(gòu)的金屬氧化物功能涂層，其光催化功能顯著增強。這些功能涂層作為功能材料可應用于眾多領(lǐng)域。
[0019]本發(fā)明中，原材料可以為TiC微米粉末和Al2O3陶瓷球，其中，涂覆基體不僅可以是Al2O3陶瓷球，也可以是Al2O3陶瓷柱體或者其他形狀;不僅可以是無機材料，也可以是金屬或者合金基體(如:不銹鋼等)等等。此外，被涂覆材料不僅可以是TiC粉末，也可以是其他非金屬粉末(如:二氧化鈦等)，也可以是金屬或者合金粉末(如:鎳和鋁等)等等。
[0020]如:基體中的金屬體可以為鋼、鈦、鎳、錳、錫、釩等等;相應地，基體中的合金體可以為含有金屬體中的合金以及其他金屬的合金。
[0021]涂覆材料中的金屬為經(jīng)過熱處理后生成具有催化作用的化合物的金屬或合金。如可以為鋅、鎳、錫、釩等等，如鋅經(jīng)過熱氧化處理后，形成氧化鋅，可以做光催化劑;如鎳經(jīng)過熱氧化處理后，形成氧化鎳，可以做催化劑;如錫經(jīng)過熱氧化處理后，形成氧化錫，可以做光催化劑和傳感器;如釩經(jīng)過熱氧化處理后，形成氧化釩，可以做催化劑等等。
[0022]優(yōu)選地，所述基體的形狀包括球形、橢圓形、片狀、圓柱形等等。
[0023]利用機械涂覆法制備的涂層材料不僅可以在碳粉環(huán)境中進行處理，也可以直接在空氣中進行熱處理，也可以在其他氣氛環(huán)境，如:惰性氣氛(如:氮氣)或者氧氣或者混合氣氛(如:氮氣和氫氣、氮氣和氬氣、氮氣和氧氣等等)中進行熱處理;熱處理的時間和溫度也可以進行調(diào)整。如:在含有氮氣的混合氣氛中熱處理，氮氣滲透進入二氧化鈦晶格形成氮摻雜，而氫氣可以還原部分晶格氧形成T12-X的非化學量比氧化物，而這些方法都可以改變二氧化鈦的電子結(jié)構(gòu)及帶隙，從而提高其光催化性能。
[0024]優(yōu)選地，所述熱處理的氣氛包括:惰性氣體氣氛、混合氣氣氛。
[0025]其中，混合氣包括:含氧混合氣、含氮混合氣、含氫混合氣。
[0026]進一步地，所述惰性氣體為氮氣；
[0027]優(yōu)選地，所述熱處理的氣氛中還添加有碳粉。
[0028]經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，熱處理的氣氛中還添加有碳粉，得到的涂層含有碳的組合物，較大的提升了涂層的光催化性能。
[0029]優(yōu)選地，所述基體為Al2O3陶瓷體，所述涂覆材料為TiC微米粉末、二氧化鈦粉末中的任一種或兩種。
[0030]現(xiàn)有技術(shù)中，球磨技術(shù)經(jīng)常用做材料粉碎、混料和一些先進材料(如:納米材料，固溶體材料，金屬間化合物和非晶材料等)的制備。在球磨過程中粉末材料不可避免地在磨球表面附著，所以為了避免或者減少這種對磨球的污染，人們想出各種方法來解決這一問題。但是，機械涂覆技術(shù)正是利用了這一現(xiàn)象，不僅不要減少或者避免這種“污染”現(xiàn)象，而且還要盡量“放大”這一狀況，最