[发明专利]可回收TiO2－SiO2复合气凝胶光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光催化剂技术领域，涉及一种可回收TiO₂-SiO₂复合气凝胶光催化剂及其制备方法。

背景技术

近年来，我国的水污染问题已日益严峻，传统的污水处理方法已越来越不能满足实际问题的需要。高活性非均相半导体光催化材料的研究给污水处理问题带来了一线曙光，由于这种光催化材料只需日照条件便可分解或吸收水中的污染物，因此受到广大科研工作者的广泛重视，有关这方面的研究论文和专利也越来越多。

半导体催化剂如TiO₂、ZnO、CdS、WO₃、SnO₂、Fe₂O₃等在废水处理，空气净化，光化学电池等方面都显示出了广阔得前景。在众多半导体材料中，TiO₂因其催化活性高，稳定性好，价廉，无毒等优点而倍受关注。1976年，加拿大科学家Carey等将TiO₂光催化应用于剧毒多氯联苯的降解研究，揭开了半导体TiO₂光催化在环保中应用的研究序幕。1983年Pruden等在TiO₂体系中发现了卤代有机物如三氯乙烯，二氯甲烷等的光致矿化，由于这一功能可能为治理水、空气等环境污染提供新的方法和手段，所以TiO₂立即成为半导体光催化研究中最为活跃的领域。TiO₂用于光催化剂降解具有独特优点：它不仅具有氧化能力强，无选择，能耗低降解完全等优点，而且在价廉，无毒，无二次污染，可长期使用等方面也优于传统的化学氧化法，因而备受关注。

目前应用较多的光催化剂是TiO₂粉末以及镀在玻璃、陶瓷等固体表面的TiO₂薄膜。其中TiO₂粉末光催化剂的制备工艺成熟，价格低廉，但为了要增加有效的表面积，采用的粒径往往很小，通常只有几微米，在使用过程中回收非常困难。TiO₂薄膜一般通过溶胶-凝胶过程和涂覆工艺制备，它作为固定相光催化剂，避免了难以回收的问题，但是单位面积薄膜上TiO₂的担载量较低，而且降低了TiO₂的光催化性能，因此不太适合于大规模的污水处理。TiO₂-SiO₂气凝胶光催化剂是由纳米粒子或者高聚物分子相互聚结而构成的多孔固体材料，其内部孔洞和基本组成颗粒的尺寸均处于纳米量级，孔分布均匀，透光性能好，是理想的催化剂和催化剂载体。与粉体和薄膜不同，TiO₂气凝胶为具有高比表面积的介孔材料，污染物可在其内外表面同时进行吸附和降解。TiO₂气凝胶与TiO₂粉末虽然都是非固定相光催化剂，但是TiO₂气凝胶可以制成块状和颗粒状固体，作为光催化剂的表观粒径比TiO₂粉末大得多，因此回收再利用极为方便。SiO₂的引入是主要通过改变催化剂的微观结构和表面状态来提高TiO₂的光催化活性。SiO₂本身不具备光催化活性，但通过它的加入对TiO₂的结构和各种性能特征都产生了重要影响：它能有效抑制TiO₂晶粒的长大，能显著提高了TiO₂的相变温度，还能增大复合催化剂的比表面积和表面缺陷。张金龙等在专利CN1594102A上公开了一种二氧化钛介孔材料的制备方法，该材料是利用钛酸盐水解法制得纳米粒子，再以表面活性剂为连接剂将纳米粒子连接而成的，其中纳米二氧化钛粒子为锐钛矿相，但是根据我们的试验证明，用钛酸盐水解法一般得不到纳米级颗粒，而且该专利仅是TiO₂一元物质。Deng等在Nanostructure Materials11(1999)1313上报道了TiO₂气凝胶以及不同比例的TiO₂-SiO₂气凝胶对苯酚的光催化降解性能，但是该文献没有提供制备工艺。Anderson等在J Phys Chem B 101(1997)2611上报道了TiO₂与SiO₂之间存在协同效应的观点，但是仅是SiO₂以分子或小颗粒的形式均匀分散在TiO₂周围，没有形成化学键，故化学稳定性不好。顾明元等在专利CN 1273214C上公开了一种氮化TiO₂-SiO₂复合粉体催化剂，但是得到的是光催化粉体，而不是复合型气凝胶，不利于回收和再利用。