[發明專利]一種預先成型的硅藻土負載TiO2及稀土摻雜TiO2光催化劑的制備方法

在審

• 申請號: 201410192053.8
• 申請日: 2014-05-08
• 公開（公告）號: CN105080528A
• 公開（公告）日: 2015-11-25
• 發明（設計）人: 劉奎仁;于曉娟;韓慶;陳建設
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B01J23/10
• 分類號: B01J23/10;B01J37/00;C02F1/30;B01D53/86;A01N59/16;A01P1/00
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技術領域

本發明涉及硅藻土預成型后負載TiO₂及稀土摻雜TiO₂光催化劑的制備方法，屬于礦物材料與光催化技術領域。

背景技術

光催化技術在污水處理、保潔除菌、空氣凈化等方面顯示出了巨大的應用潛力，TiO₂作為光催化材料，因其化學穩定性好、氧化能力強、無毒、耐腐蝕、廉價易得等優點而受到人們的廣泛關注。但是，TiO₂在實際應用中存在以下兩方面的局限性。

一是由于TiO₂粒徑小，易團聚，光催化反應后難以回收再利用，因而影響了它的產業化。為了充分發揮TiO₂的光催化性能，需將TiO₂固定在載體上。TiO₂固化所用載體多為無機材料，如硅膠、沸石、玻璃、陶瓷、光學纖維、活性炭、硅藻土等。其中，硅藻土由于具有天然納米孔徑，獨特微孔結構、比表面積大、吸附性能強、孔隙度高、耐酸、耐堿、耐高溫、化學性能穩定等優良性質，而廣泛用作催化劑的載體材料。

但天然硅藻土中往往含有不同種類和數量的礦物雜質，如石英、長石、黏土和碳酸鹽等，使硅藻土在沉降過程中孔徑被堵塞，比表面積減小，造成硅藻土品位降低，影響催化材料的性能。因此，需對硅藻土進行預處理。同時，若直接將TiO₂光催化劑負載在硅藻土粉體上，仍存在難以回收的問題，因此還需研究硅藻土的預成型工藝。以預成型后的硅藻土作為光催化劑的載體，一方面可以實現催化劑的固載；另一方面，還可以利用硅藻土的強吸附性能實現污染物的靶向富集，增加催化劑與污染物的接觸幾率，提高其光降解效率。

二是由于TiO₂禁帶較寬，只能被380nm以下的紫外光激活，使其對太陽光的利用受到了很大的限制；并且，光生電子和空穴的高復合率也限制了其光催化反應速率。所以，有效提高TiO₂光催化活性的途徑是提高TiO₂的光吸收能力，抑制光生空穴和電子的復合。稀土元素摻雜后可以改善銳鈦礦相TiO₂的熱穩定性以及調控TiO₂晶型，有效抑制TiO₂由銳鈦礦相向金紅石相的轉變，有利于TiO₂光催化性能的提高。此外，稀土元素具有獨特的4f亞層電子結構，易產生多電子組態，化合價之間的相互轉化能抑制光生電子和空穴的復合幾率，而且稀土離子的基態和激發態的能量較接近，在可見光區可以吸收部分可見光，從而使光催化劑的光吸收波段移向可見區。所以，稀土元素的摻雜能有效提高TiO₂光催化劑的光催化反應速率和對可見光的利用率。

制備負載型光催化材料的方法主要有溶膠-凝膠法、液相沉淀法、醇鹽水解沉淀法、低溫燃燒法等。其中，溶膠-凝膠法在材料粉體的制備中具有產物粒徑小、均勻性好、純度高及反應易控制等優點，有利于光催化性能的提高，因此在合成負載型光催化材料方面具有較好的發展前景。

發明內容

本發明針對目前TiO₂光催化劑存在的不足，以天然多孔非金屬礦物硅藻土為載體，將硅藻土預處理并預成型后再負載TiO₂及稀土摻雜TiO₂光催化劑，制備出既具有高催化活性又便于回收使用的負載型光催化材料。

實現本發明的技術方案是按如下工藝步驟進行：

（1）對原硅藻土進行酸洗處理，酸洗后再進行焙燒處理；

（2）將預處理后的硅藻土與粘結劑、助熔劑、去離子水混合均勻，制備成粒狀、球型、條形或柱形等形狀，然后烘干、煅燒；

（3）采用溶膠-凝膠法制備二氧化鈦及稀土摻雜的二氧化鈦溶膠，其具體步驟如下：在水浴恒溫40℃的強烈攪拌下，將17ml的鈦酸丁酯倒入40ml無水乙醇中，5min后加lml二乙醇胺，攪拌30min后向其中加lml硝酸，再將已配好的5ml冰醋酸、2ml去離子水和40ml無水乙醇混合溶液加入，繼續攪拌1h，超聲波震蕩10min，制得二氧化鈦溶膠；或將稀土化合物用適量無水乙醇溶解后移入混合液中，繼續攪拌lh，超聲波震蕩10min，制得稀土摻雜的二氧化鈦溶膠；

（4）將溶膠放置兩小時后，將預成型后的硅藻土放入溶膠中，浸漬一段時間后烘干，再煅燒數小時，制得負載型光催化劑。