[发明专利]一种预先成型的硅藻土负载TiO2及稀土掺杂TiO2光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅藻土预成型后负载TiO₂及稀土掺杂TiO₂光催化剂的制备方法，属于矿物材料与光催化技术领域。

背景技术

光催化技术在污水处理、保洁除菌、空气净化等方面显示出了巨大的应用潜力，TiO₂作为光催化材料，因其化学稳定性好、氧化能力强、无毒、耐腐蚀、廉价易得等优点而受到人们的广泛关注。但是，TiO₂在实际应用中存在以下两方面的局限性。

一是由于TiO₂粒径小，易团聚，光催化反应后难以回收再利用，因而影响了它的产业化。为了充分发挥TiO₂的光催化性能，需将TiO₂固定在载体上。TiO₂固化所用载体多为无机材料，如硅胶、沸石、玻璃、陶瓷、光学纤维、活性炭、硅藻土等。其中，硅藻土由于具有天然纳米孔径，独特微孔结构、比表面积大、吸附性能强、孔隙度高、耐酸、耐碱、耐高温、化学性能稳定等优良性质，而广泛用作催化剂的载体材料。

但天然硅藻土中往往含有不同种类和数量的矿物杂质，如石英、长石、黏土和碳酸盐等，使硅藻土在沉降过程中孔径被堵塞，比表面积减小，造成硅藻土品位降低，影响催化材料的性能。因此，需对硅藻土进行预处理。同时，若直接将TiO₂光催化剂负载在硅藻土粉体上，仍存在难以回收的问题，因此还需研究硅藻土的预成型工艺。以预成型后的硅藻土作为光催化剂的载体，一方面可以实现催化剂的固载；另一方面，还可以利用硅藻土的强吸附性能实现污染物的靶向富集，增加催化剂与污染物的接触几率，提高其光降解效率。

二是由于TiO₂禁带较宽，只能被380nm以下的紫外光激活，使其对太阳光的利用受到了很大的限制；并且，光生电子和空穴的高复合率也限制了其光催化反应速率。所以，有效提高TiO₂光催化活性的途径是提高TiO₂的光吸收能力，抑制光生空穴和电子的复合。稀土元素掺杂后可以改善锐钛矿相TiO₂的热稳定性以及调控TiO₂晶型，有效抑制TiO₂由锐钛矿相向金红石相的转变，有利于TiO₂光催化性能的提高。此外，稀土元素具有独特的4f亚层电子结构，易产生多电子组态，化合价之间的相互转化能抑制光生电子和空穴的复合几率，而且稀土离子的基态和激发态的能量较接近，在可见光区可以吸收部分可见光，从而使光催化剂的光吸收波段移向可见区。所以，稀土元素的掺杂能有效提高TiO₂光催化剂的光催化反应速率和对可见光的利用率。

制备负载型光催化材料的方法主要有溶胶-凝胶法、液相沉淀法、醇盐水解沉淀法、低温燃烧法等。其中，溶胶-凝胶法在材料粉体的制备中具有产物粒径小、均匀性好、纯度高及反应易控制等优点，有利于光催化性能的提高，因此在合成负载型光催化材料方面具有较好的发展前景。

发明内容

本发明针对目前TiO₂光催化剂存在的不足，以天然多孔非金属矿物硅藻土为载体，将硅藻土预处理并预成型后再负载TiO₂及稀土掺杂TiO₂光催化剂，制备出既具有高催化活性又便于回收使用的负载型光催化材料。

实现本发明的技术方案是按如下工艺步骤进行：

（1）对原硅藻土进行酸洗处理，酸洗后再进行焙烧处理；

（2）将预处理后的硅藻土与粘结剂、助熔剂、去离子水混合均匀，制备成粒状、球型、条形或柱形等形状，然后烘干、煅烧；

（3）采用溶胶-凝胶法制备二氧化钛及稀土掺杂的二氧化钛溶胶，其具体步骤如下：在水浴恒温40℃的强烈搅拌下，将17ml的钛酸丁酯倒入40ml无水乙醇中，5min后加lml二乙醇胺，搅拌30min后向其中加lml硝酸，再将已配好的5ml冰醋酸、2ml去离子水和40ml无水乙醇混合溶液加入，继续搅拌1h，超声波震荡10min，制得二氧化钛溶胶；或将稀土化合物用适量无水乙醇溶解后移入混合液中，继续搅拌lh，超声波震荡10min，制得稀土掺杂的二氧化钛溶胶；

（4）将溶胶放置两小时后，将预成型后的硅藻土放入溶胶中，浸渍一段时间后烘干，再煅烧数小时，制得负载型光催化剂。