一種活性炭纖維負(fù)載二氧化鈦復(fù)合光催化材料及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及催化材料領(lǐng)域，具體涉及一種活性炭纖維負(fù)載二氧化鈦復(fù)合光催化材 料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，室內(nèi)空氣的凈化處理也逐漸引起了人們 的關(guān)注。多相光催化氧化技術(shù)作為一種先進(jìn)氧化技術(shù)，可在常溫常壓下無(wú)選擇性地礦化環(huán) 境中各類有機(jī)污染物，被認(rèn)為是一種極具應(yīng)用潛力的環(huán)境治理技術(shù)。在眾多光催化劑中，二 氧化鈦（TiO2)由于其具有物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒、光催化活性高、對(duì)有機(jī)物的降解選擇性 低且礦化徹底、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)而成為目前應(yīng)用最為廣泛的光催化劑。但是，將純納米二 氧化鈦應(yīng)用在空氣凈化領(lǐng)域時(shí)還存在光利用率低、量子產(chǎn)率低、比表面積小且反應(yīng)活性位 點(diǎn)少等缺點(diǎn)?；钚蕴坷w維是一種新型的功能化材料，具有高比表面積，豐富的孔結(jié)構(gòu)以及良 好的吸附能力，可以作為TiO2載體，且大量研宄已經(jīng)表明將TiO 2負(fù)載到活性炭纖維（ACF) 表面制得的復(fù)合光催化材料可以實(shí)現(xiàn)光催化和吸附的協(xié)同作用，呈現(xiàn)出優(yōu)異的光催化活 性。
[0003] 目前，關(guān)于活性炭纖維負(fù)載二氧化鈦復(fù)合光催化材料的制備方法主要有浸漬涂層 法、水熱法、化學(xué)氣相沉積法、離子簇濺射沉積法等方法。浸漬涂層法是最為廣泛使用的制 備方法，制備過(guò)程簡(jiǎn)單，TiO2可在ACF表面形成薄膜或顆粒。
[0004] 中國(guó)專利CN101318129A公開了一種負(fù)載型光催化劑及其制備方法，中國(guó)專利 CN103100378A公開了一種活性炭纖維負(fù)載二氧化鈦光催化劑的制備方法，兩篇專利文獻(xiàn)公 開的技術(shù)方案中，負(fù)載到催化劑上的TiO2可以在ACF表面形成銳鈦礦型TiO 2薄膜，但是制 得的催化劑上活性炭纖維縫隙間TiO2的沉積量很大，導(dǎo)致大部分的TiO2并沒(méi)有負(fù)載到活性 炭纖維表面，因而不能充分達(dá)到光催化與吸附的協(xié)同作用效果。
[0005] 中國(guó)專利CN102910767A公開了一種水熱法制備活性炭纖維負(fù)載二氧化鈦光催化 劑的制備方法，該方法可使活性炭纖維表面的活性官能團(tuán)增多，有助于增強(qiáng)活性炭纖維表 面與二氧化鈦的負(fù)載能力，但是催化劑中活性炭纖維之間二氧化鈦的沉積量依然較大，光 催化和吸附的協(xié)同作用效果不佳。
[0006] 綜上所述，目前活性炭纖維負(fù)載二氧化鈦復(fù)合光催化材料的制備方法均存在負(fù)載 不牢固、不均勻，且二氧化鈦大部分沉積在活性炭纖維縫隙中易脫落，光催化與吸附的協(xié)同 作用效果不理想等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供了一種活性炭纖維負(fù)載二氧化鈦復(fù)合 光催化材料的制備方法，該方法工藝簡(jiǎn)單，二氧化鈦與活性炭纖維結(jié)合率高，所得復(fù)合光催 化材料的光催化活性良好，且重復(fù)使用性好。
[0008] 本發(fā)明提供了一種活性炭纖維負(fù)載二氧化鈦復(fù)合光催化材料的制備方法。該方法 通過(guò)超聲波輔助溶膠-凝膠法，將二氧化鈦均勻、牢固地負(fù)載到活性炭纖維表面，經(jīng)焙燒后 制得負(fù)載率高、活性高和穩(wěn)定性強(qiáng)的活性炭纖維負(fù)載二氧化鈦復(fù)合光催化材料。
[0009] 本發(fā)明所述方法包括以下步驟：將預(yù)處理后的活性炭纖維浸沒(méi)于二氧化鈦溶膠 中，在25~70°C條件下、用頻率35~45kHz的超聲波處理15~90min ;取出負(fù)載二氧化鈦 的活性炭纖維，充分干燥后焙燒，即得。
[0010] 本發(fā)明選用比表面積適宜的活性炭纖維，可以提高活性炭纖維與二氧化鈦的結(jié)合 率。所述活性炭纖維的比表面積為900~2000m2/g，優(yōu)選為1400~1600m2/g，進(jìn)一步優(yōu)選 為 1500m2/g〇 toon] 本發(fā)明對(duì)活性炭纖維應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，從而提高活性炭纖維與二氧化鈦結(jié)合的牢固 性。所述預(yù)處理包括以下步驟：切割活性炭纖維，使其截面的邊長(zhǎng)為2~5cm ;依次在無(wú)水 乙醇、氫氧化鈉溶液、稀硝酸溶液中分別浸泡25~35min，用去離子水清洗，在110~130°C 充分干燥，即得預(yù)處理后的活性炭纖維。
[0012] 本發(fā)明所述浸沒(méi)具體是指，預(yù)處理后的活性炭纖維可以完全地浸沒(méi)于二氧化鈦溶 膠中，即二氧化鈦溶膠的量對(duì)于活性炭纖維的負(fù)載量而言是過(guò)量的，可以確保二氧化鈦充 分負(fù)載，本發(fā)明對(duì)二者的用量比例不做具體限定。
[0013] 本發(fā)明所述二氧化鈦溶膠包括以下成分：低炭醇18~21份，含鈦化合物18~20 份，含羰基和酯基的抑制劑1. 5~2. 5份，pH 8~12的去離子水3~5份。所述份的單位 均為體積。所述低炭醇優(yōu)選為無(wú)水乙醇。所述含鈦化合物優(yōu)選為鈦酸四丁酯。所述含羰基 和酯基的抑制劑優(yōu)選為乙酰丙酮。
[0014] 作為優(yōu)選方案，所述二氧化鈦溶膠由包括以下步驟的方法制備而成：
[0015] 溶液A的制備：取低炭醇12~14份，將所述低碳醇、含鈦化合物、含羰基和酯基的 抑制劑以體積比12~14 :18~20 :1. 5~2. 5混合，充分?jǐn)嚢?，即得溶液A ;
[0016] 溶液B的制備：取低炭醇6~7份，將所述低碳醇和pH 8~12的去離子水以體積 比 6 ~ 7 :3 ~ 5 艮Pmi B ;
[0017] 二氧化鈦溶膠的制備：在攪拌條件下，將溶液B緩慢滴加到溶液A中，充分?jǐn)嚢?，?得二氧化鈦溶膠。
[0018] 本發(fā)明所述二氧化鈦溶膠中還可以添加適量的制孔劑，所述制孔劑選自葡萄糖、 淀粉、纖維素、十六烷基三甲基溴化銨、聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚 物中的一種或幾種；優(yōu)選為十六烷基三甲基溴化銨。制孔劑的作用主要是與二氧化鈦溶膠 作用，使負(fù)載到活性炭纖維表面時(shí)產(chǎn)生大量微孔，從而提高催化材料的比表面積。
[0019] 在本發(fā)明中，預(yù)處理后的活性炭纖維與所述制孔劑的重量比優(yōu)選為10 :1~4,進(jìn) 一步優(yōu)選為10 :1~1. 5。
[0020] 本發(fā)明所述超聲波處理的條件包括：處理溫度為25~70°C，超聲波頻率為35~ 45kHz，處理時(shí)間為15~90min。當(dāng)超聲波處理時(shí)間較短時(shí)，可以在超聲后靜置老化一段時(shí) 間，以增加負(fù)載效果。為了進(jìn)一步提高活性炭纖維與二氧化鈦的結(jié)合性能，同時(shí)避免超聲處 理造成與催化活性有關(guān)的性能下降，本發(fā)明所述超聲波處理的條件優(yōu)選為：在35~65°C條 件下，用頻率40kHz的超聲波處理15~90min ;進(jìn)一步優(yōu)選為在40~50°C條件下，用頻率 40kHz的超聲波處理30~35min。
[0021] 本發(fā)明所述焙燒具體為：在存在惰性氣體、200~600°C條件下，焙燒1~24h。所 述焙燒優(yōu)選為：在存在氮?dú)狻?00~500 °C條件下，焙燒3~5h。
[0022] 采用本發(fā)明提供的方法，二氧化鈦可均勻包裹于活性炭纖維的表面，且活性炭纖 維間隙中二氧化鈦的沉積量明顯減少，活性炭纖維與二氧化鈦的結(jié)合率和結(jié)合牢固程度明 顯提尚。
[0023] 本發(fā)明還保護(hù)以所述方法制備而成的活性炭纖維負(fù)載二氧化鈦復(fù)合光催化材料。
[0024] 本發(fā)明進(jìn)一步保護(hù)所述活性炭纖維負(fù)載二氧化鈦復(fù)合光催化材料的應(yīng)用。
[0025] 所述應(yīng)用優(yōu)選為在室內(nèi)空氣凈化中的應(yīng)用；具體為：取2g活性炭纖維負(fù)載二氧化 鈦復(fù)合光催化材料，對(duì)甲醛濃度為40mg/m3的空氣進(jìn)行凈化。經(jīng)檢測(cè)，本發(fā)明所得光催化材 料可以高效催化降解甲醛等室內(nèi)常見的有害氣體，且可以重復(fù)使用。
[0026] 本發(fā)明與目前炭基復(fù)合光催化材料制備技術(shù)相比，超聲波輔助溶膠-凝膠法制備 過(guò)程簡(jiǎn)單，便于工業(yè)生產(chǎn)，可使二氧化鈦均勻包裹在活性炭纖維表面形成二氧化鈦薄膜，活 性炭纖維縫隙中二氧化鈦的沉積量明顯減少，提高二氧化鈦光催化和活性炭纖維強(qiáng)吸附的 協(xié)同作用，從而顯著提高該復(fù)合光催化材料在空氣凈化領(lǐng)域的光催化活性和重復(fù)使用性， 克服了光催化材料光催化氧化降解效率低、壽命短等問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1為實(shí)施例1制得活性炭纖維負(fù)載二氧化