申请日2009.03.27
公开(公告)日2009.08.26
IPC分类号B01J21/06; C02F101/30; C02F1/30; C02F101/32; B01J37/00
摘要
本发明公开了一种用于水处理的光催化剂，所述光催化剂是由纳米二氧化钛修饰硅粉而得，所述硅选自单晶硅或多晶硅中的一种，所述纳米二氧化钛由60%～80%锐钛矿相与20%～40%金红石相二氧化钛组成。由于将二氧化钛负载于硅粉表面，有利于光生载流子和电子的分离，促进了催化剂对可见光的吸收和利用。在催化剂的制备中，通过改变焙烧温度控制二氧化钛中锐钛矿相与金红石相的比例，因此有效提高了催化剂的催化性能。催化剂对水中甲苯等苯系物具有良好的光催化氧化性能，其中对甲苯的去除率可达到90%以上。催化剂重复使用9次，苯系物去除率仍大于80%，催化剂回收利用率达到90%以上，具有催化效率高且速度快，反应温和，易于操作等特点。
权利要求书
1.一种光催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)整个制备过程中，以物质的量为计量基准，以钛酸四丁酯的物质的量为1 份;在10～30℃下，将1份钛酸四丁酯缓慢滴加入8.5～9份无水乙醇中溶解， 得到溶液A;
(2)取8.5～9份无水乙醇，加入2～2.5份的去离子水，用盐酸调节pH约为 3.0，得到溶液B;
(3)将溶液B缓慢加入到溶液A中，搅拌0.4～0.6小时形成溶胶;
(4)在上述溶胶中加入硅粉继续搅拌2～3小时，形成凝胶;
(5)将步骤(4)所得凝胶置于陈化24～28小时，然后于105～110℃下加热5～7 个小时，得到催化剂的前驱物;
(6)以步骤(5)所得的催化剂的前驱物经研磨后进行焙烧，在200～550℃下焙 烧1～3小时，得到含60%～80%锐钛矿相与20%～40%金红石相二氧化钛的光 催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备光催化剂的方法，其特征在于：步骤(4)中所 述硅粉的质量为钛酸四丁酯质量的2～13倍，硅粉的粒径为70～120μm，硅粉 平均粒径为90～100μm;所述硅粉选自单晶硅或多晶硅中的一种。
3.根据权利要求1所述的制备光催化剂的方法，其特征在于：步骤(6)中焙 烧的过程为：首先在250℃下焙烧1～1.5小时，再升温至450～550℃焙烧0.5～ 1.0小时。
4.根据权利要求1所述的制备光催化剂的方法，其特征在于：步骤(6)中焙 烧的过程为：首先在250℃下焙烧1～1.5小时，再升温至530～550℃焙烧1.5～ 2.5小时。
5.通过权利要求1～4所述的制备光催化剂的方法制备得到的光催化剂。
6.权利要求5所述的光催化剂在处理污水中的应用，所述污水为含有苯系 物污染物的污水。
说明书
一种用于水处理的光催化剂及其制备和应用
技术领域
本发明属于水、废水或污水处理领域中的光催化剂，具体涉及一种硅/TiO2 光催化剂及其制备方法。
背景技术
近年来，基于半导体材料的光催化氧化水处理技术受到了各国学者的关注， 在光催化氧化动力学，纳米材料的制备，表面修饰，固定相催化剂，降解机理 以及有机废水处理等方面取得了大量的成果。高效光催化剂的设计及制备是光 催化氧化研究的核心课题。已有的光催化氧化催化剂普遍存在效率不高，尤其 是可重复使用次数少、效率低等问题。TiO2的晶型对催化氧化效率也有明显的 影响，但在此方面的研究不深入。
目前光催化氧化的催化剂以TiO2为主，其载体有沸石、活性碳(纤维)、 CuMn、β-环糊精/Ce、SiO2，Al2O3、玻璃纤维网(布)、空心陶瓷球、海砂、 层状石墨、空心玻璃珠、石英玻璃管(片)、普通(导电)玻璃片、有机玻璃、 光导纤维、天然粘土、泡沫塑料、树脂、木屑、膨胀珍珠岩等。在载体选择时， 必须对效率、催化活性、催化剂负载的牢固性、使用寿命、价格等作综合考虑。
寻求具有优良的光催化氧化活性的TiO2载体，以及寻求可以通过控制制备 条件，有效控制催化剂的组分及晶相组成，以获得高性能的催化材料，是本领 域技术人员正在不断努力的方向。
硅具有优异的光电效应，如果将纳米TiO2颗粒与硅复合，可能会增强催化 剂对可见光的吸收和利用，但国内外对以硅负载TiO2光催化剂却鲜有报道。
发明内容
本发明目的是提供一种硅负载TiO2光催化剂及其制备方法，更方便地控 制催化剂的晶型，提高催化剂的光催化氧化性能。
为达到上述目的，本发明具体技术方案是，一种光催化剂的制备方法，包 括以下步骤：
(1)整个制备过程中，以物质的量为计量基准，以钛酸四丁酯的物质的量为 1份;在10～30℃下，将1份钛酸四丁酯缓慢滴加入8.5～9份无水乙醇中溶 解，得到溶液A;
(2)取8.5～9份无水乙醇，加入2～2.5份的去离子水，用盐酸调节pH约为 3.0，得到溶液B;
(3)将溶液B缓慢加入到溶液A中，搅拌0.4～0.6小时形成溶胶;
优选的技术方案中，所述盐酸为质量分数36～38%的盐酸;盐酸的量为 0.2～0.3份;
(4)在上述溶胶中加入硅粉继续搅拌2～3小时，形成凝胶;
所述硅粉的质量为钛酸四丁酯质量的2～13倍，硅粉的粒径为70～120μ m，硅粉平均粒径为90～100μm;所述硅粉选自单晶硅或多晶硅中的一种;
(5)将步骤(4)所得凝胶置于陈化24～28小时，然后于105～110℃下加热5～ 7个小时，以彻底挥发有机溶剂和水，得到催化剂的前驱物;
所述陈化过程优选地应在阴暗的，光线暗的环境中进行;所述加热过程可 以但不限于在烘箱中进行;
(6)以步骤(5)所得的催化剂的前驱物经研磨后进行焙烧，在200～550℃下焙 烧1～3小时，得到含60%～80%锐钛矿相与20%～40%金红石相二氧化钛的 光催化剂;
所述焙烧过程可以但不限于在马弗炉中进行;
优选的技术方案中，步骤(6)中焙烧的过程为：首先在250℃下焙烧1～1.5 小时，再升温至450～550℃焙烧0.5～1.0小时;更优选的技术方案中，步骤 (6)中焙烧的过程为：首先在250℃下焙烧1～1.5小时，再升温至530～550℃ 焙烧1.5～2.5小时。
分阶段焙烧中的第一阶段焙烧为预烧阶段，可以出去可挥发化合物、有机 化合物，例如乙醇、水以及酯类;第二阶段焙烧温度较高，目的是控制催化剂 的晶型。
本发明还包括通过上述两种制备光催化剂方法得到用于水处理的光催化 剂，所述光催化剂是由纳米二氧化钛修饰硅而得，所述硅选自单晶硅或多晶硅 中的一种，所述纳米二氧化钛由60%～80%锐钛矿相与20%～40%金红石相二 钛组成。
本发明还包括上述技术方案所得催化剂对污水的处理，所述污水为含有苯 系物的污水，所述苯系物为本领域技术人员公知的概念，通常指甲苯、乙苯、 苯酚或硝基苯等等;本发明所述光催化剂对水中甲苯等苯系物具有良好的光催 化氧化性能，对甲苯的去除率可达到90%以上。催化剂重复使用9次，苯系 物去除率仍大于80%，催化剂回收利用率达到90%以上，相对于活性碳纤维 /TiO2对室内空气中低浓度甲苯的净化效率(63.27%)本发明中催化剂对甲苯 的去除率较高(参见：孙如宝，袭著革，晁福寰，张华山，张伟.活性碳纤维 负载二氧化钛净化室内甲苯.中国卫生工程学，2005，4(6));相对于 CuMn/TiO2对甲苯的催化氧化(床层温度为215℃)本发明中催化氧化甲苯的 条件(室温)更温和，易于操作(参见：李鹏，童志权，黄妍，张俊丰.新型 CuMn/TiO2苯类催化燃烧催化剂的研制及活性实验，环境科学学报，2008， (3));相对于β-环糊精/Ce/TiO2光催化氧化气相甲苯(反应时间4～5h)本发 明中催化氧化甲苯的时间较短(2小时)(参见：孙梦君，柳丽芬，杨凤林.β-环糊 精/Ce/TiO2光催化氧化气相甲苯.中国环境科学，2008，28(7))。
本发明的基本原理为：将纳米TiO2颗粒与多晶硅复合，可在两种半导体 材料之间形成了异质结构，有利于光生载流子和电子的分离，可增强催化剂对 可见光的吸收和利用。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、由于将二氧化钛负载于硅粉表面，有利于光生载流子和电子的分离， 促进了催化剂对可见光的吸收和利用。
2、在催化剂的制备中，由于可以通过改变焙烧温度控制二氧化钛中锐钛 矿相与金红石相的比例，因此可有效提高催化剂的催化性能。