[发明专利]用多孔矿物制备复合光催化剂及其方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种无机功能材料的制备，尤其是以多孔矿物为载体，负载宽禁带n型半导体制备光催剂及其方法。

技术背景：

以TiO₂为代表的n型半导体的非均相光催化技术，实现通常情况下难以实现的催化氧化反应，而且催化剂本身无毒、无刺激性、难溶于溶剂，化学性质稳定，因而在处理低浓度高危害性的有机物污染方面达到了传统处理方法无法企及的效果。由于其几乎能够无选择的矿化各种有机污染物，因而在土壤、水质和大气污染治理以及抗菌等领域都展现出广阔的前景。随着社会发展和人们健康需求的提高，这种高效、清洁、安全的有机污染物处理技术正得到越来越多的关注。

目前光催化技术推广的主要障碍在于成本过高、效能不稳定。无论是催化剂还是光源、反应器，都迫切地面临降低成本的问题。而且，必须采取有效措施解决光催化剂因使用不当等原因引起的中毒问题，保证光催化反应达到预期的效果。非固载的光催化剂粉体在使用过程中，由于颗粒度小，因而回收困难、容易中毒，且当溶液中有高价阳离子时不易发散。固载后上述问题基本得到了解决，目前所采用的载体大多为无机材料，主要是硅酸盐和金属。玻璃易成型、透光性好，但表面光滑，对催化剂的附着能力差。金属类较昂贵，且同样存在负载困难的问题。这些载体主要的问题是成本较高、附着力差、催化剂易流失、比表面积小、影响催化剂光活性。而且如果使用成本较低的溶胶-凝胶法进行负载，单次负载量小，薄膜易开裂。

已有的矿物载体负载氧化钛研究论文包括：“利用天然矿物承载TiO₂制备光催化功能材料的研究”，岩石矿物学杂志，2001，20(4)：445-448；“TiO₂/沸石复合物结构与光催化性能，”无机材料学报，2002，17(6)：1301-1305；“天然斜发沸石负载TiO₂的光催化性能”，环境科学，2003，24(4)：113-116；“TiO₂改性天然沸石的光催化性能”，非金属矿，2004，27(1)：14-16；“Surface effect ofnatural zeolite(clinoptilolite)on the photocatalytic activity of TiO₂，Applied Surface Science”，2005，252：1410-1416；“Fe掺杂与天然沸石载体对TiO₂光催化活性的影响”，高等学校化学学报，2006，27(1)：100-103；“Photodegradation of an azo dye using immobilized nanoparticles of TiO2supported by natural porous mineral”，Journal of Hazardous Materials，2008，152：1037-1044。

天然矿物原料丰富、价格低廉，不仅可显著降低催化剂成本，而且因其结构特点通常具有一些特殊的性能。天然沸石内部具有大量规则且尺寸均一的微孔孔道，具有良好的离子交换和吸附性能。天然硅藻土和蛋白石页岩是生物成因的沉积岩，由硅藻类硅质残骸构成，体内遍布贯通的微米级孔道，有很强的吸附性能和优异的热稳定性。蒙脱石是一类具有双电层结构的天然粘土矿物，具有优异的离子交换性能。在其层间插入惰性组分后，可调节其层间距，显著改善其吸附性能。使用多孔矿物做载体材料，不仅具有明显的成本优势，而且比表面积大、吸附能力强、附着力好、资源丰富、环境成本低，是不可多得的光催化剂载体材料。不仅如此，如果采用人工改性方法，适当地修饰矿物的孔径范围，可以合理配置光催化反应的传质过程，提高光催化反应速率，降低催化剂中毒风险，明显地提高光催化剂效能。对于高表面活性的浅色多孔矿物，可以作为建筑内墙材料，具有吸附、消光、保温、调湿和隔音等性能，与光催化半导体复合后具有室内空气净化、消除甲醛和苯类有机污染物的功能。因此，多孔矿物负载的光催剂粉体及其制品可广泛用于工业、民用污水处理、涂料、吸附剂、环保建材、装饰装修材料等领域，有助于光催化技术在有机污染物治理方面的进一步推广应用。现有的载体只是被简单的提纯，并没有经过热活化或化学活化。而活化后，载体的表面能增大，更容易与光催化半导体发生键和，有利于实现比较牢固的固载。而且，实际使用中发现，负载后未焙烧的样品，在重复使用过程中光催化半导体容易脱落，因此采用负载后以适当温度焙烧的方法改善对光活性物质固载的效果。

发明内容：