一种光催化降解甲醛复合材料及其制备方法及应用

技术领域

本发明属于环保材料制备技术领域，尤其涉及一种光催化降解甲醛复合材料及其制备方法及应用。

背景技术

随着现代科技水平高速发展，人们的生活水平和质量也逐渐提高，越来越多的人开始关注环境安全和保护的问题。众所周知，很多人一天之中大部分时间都是在室内度过的，因此，室内环境污染问题对人们显得尤为严峻。

目前，室内环境污染的主要来自装修建材散发出的甲醛，它存在于木地板、乳胶漆、海绵床垫等建材中，在使用过程中会长期释放甲醛。甲醛可以说是人和其他动物室内健康生活的头号公敌，它被世界卫生组织国际致癌研究机构列为一级致癌物，其无色，对人类眼、鼻、喉有刺激性作用，低浓度吸入，会导致头晕目眩、咳嗽、咽部不适、恶心等症状，从而诱发支气管炎，咽炎等疾病，影响呼吸系统和神经系统；长期摄入甲醛，有致癌风险，如鼻咽癌、结肠癌和血液病等。在信息化时代下，世界各地报导的关于室内空气污染造成人类疾病的事例屡见不鲜，因此，解决空气中甲醛污染问题刻不容缓。

目前在室内空气污染净化处理方面主要采取物理吸附、贵金属催化、光催化方法。物理吸附法一般依靠活性炭或改性活性炭的吸附性，去除空气中的有害物质，大多数种类的活性炭都存在去除污染无选择性、吸附容量小、吸附饱和后易脱附造成二次污染以及对低浓度甲醛等污染物去除效果差等缺陷，因此，完全依靠活性炭类净化空气是无法达到呼吸健康的要求。贵金属催化法对于室内空气污染物质的去除效果较好，但其使用的银、铂、钯等贵重金属大大提高了使用贵金属催化法净化空气的成本，且贵金属在催化降解空气污染物的同时，可能会造成人体重金属中毒。光催化法去除室内空气污染具有高效、经济、无毒害等优势，对于低浓度的甲醛仍有很好的去除效果，但其在室内受到的局限较大，其催化降解条件需在光照条件下进行。

针对以上技术问题，本发明公开了一种光催化降解甲醛复合材料及其制备方法及应用，本发明制备的光催化降解甲醛复合材料复合过程简单，比表面积比一般商品活性炭要大，吸附性能也更佳，通过简单的处理，使得材料具有良好的光催化降解甲醛的效果，解决了光催化降解甲醛技术在室内操作存在局限性的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种光催化降解甲醛复合材料及其制备方法及应用，以解决现有技术中光催化降解甲醛技术在室内操作存在局限性，且一般活性炭对于室内甲醛吸附效果不佳，难以达到室内甲醛去除的高标准。本发明制备的光催化降解甲醛复合材料复合过程简单，比表面积比一般商品活性炭要大，吸附性能也更佳，通过简单的处理，使得材料具有良好的光催化降解甲醛的效果，解决了光催化降解甲醛技术在室内操作存在局限性的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光催化降解甲醛复合材料，包括原料钛酸正四丁酯、无水乙醇、活性炭粉、尿素和碳酸钾，各原料的质量组分为：

光催化降解甲醛复合材料的比表面积为610～630m2/g，总孔容为0.47～0.50m3/g，孔径主要在0～50nm范围内，平均孔径为3～4nm。

优选的，光催化降解甲醛复合材料的pH值在6～8范围内。

优选的，光催化降解甲醛复合材料对于甲醛的去除率为85～95％。

优选的，光催化降解甲醛复合材料中锐钛矿型二氧化钛所占比例在59％～73％范围内。

本发明还公开了一种光催化降解甲醛复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：

S1、碳化热解：按质量份数取30～50份钛酸正四丁酯溶于200～300份的无水乙醇中，再加入活性炭粉100～200份放在磁力搅拌器上搅拌6～10h，然后放入电热恒温鼓风干燥箱中在80～120℃的温度下烘干，烘干后得到混合样品；

S2、浸渍：在混合样品中加入尿素30～50份，碳酸钾10～20份，混合均匀得到前驱体；

S3、二次热解：将前驱体置于惰性气体环境中，设置初始温度20～30℃，升温速率3～5℃ /min，温度上升至400～600℃时，保温120～480min，惰性气体的流量为20～50mL/min，然后自然降至室温，得到终产物；

S4、洗涤烘干：将终产物放入蒸馏水中洗涤5～6次，然后烘干，得到光催化降解甲醛复合材料。

优选的，步骤S1中，钛酸正四丁酯为分析纯。

优选的，步骤S3中，惰性气体为氮气。

优选的，步骤S1和步骤S2中，活性炭粉的比表面积在800～1200㎡/g范围内，活性炭粉、尿素和碳酸钾均为150～200目。

优选的，步骤S4中，光催化降解甲醛复合材料的粒径为0.05～0.10mm。

本发明还公开了一种光催化降解甲醛复合材料在降低污染空气中的甲醛含量方面的应用。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明在制备光催化降解甲醛复合材料时，通过设置合适的制备温度和掺杂的比例，使光催化降解甲醛技术和活性炭吸附甲醛技术结合，从而解决了光催化技术存在的局限性问题和活性炭吸附技术存在的低浓度甲醛去除效果差的问题。

本发明制备的光催化降解甲醛复合材料吸附容量大，吸附性强，表面积使用率高，且在光催化降解甲醛过程中，无毒无害，安全环保，并且能够很好地去除低浓度污染，保证空气质量。

本发明制备的空气净化用光催化降解甲醛复合材料复合过程简单，比表面积比一般商品活性炭要大，吸附性能也更佳，通过简单的处理，使得材料具有良好的光催化降解甲醛的效果。

附图说明

图1是光催化降解甲醛复合材料的制备流程图；

图2是光催化降解甲醛复合材料的氮气吸脱附曲线图；

图3是光催化降解甲醛复合材料的孔径分布曲线图；

图4是光催化降解甲醛复合材料的扫描电镜图；

图5是光催化降解甲醛复合材料的红外光谱图；

图6是光催化降解甲醛复合材料的XRD图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下实施例中光催化降解甲醛复合材料采取如下的方法进行评价：

(1)甲醛的去除率：将所需测试样品倒出搅拌均匀，称100克装入已备好的注塑框架中，保证密闭性良好，然后装入空气净化机中，用塑料袋罩住整个空气净化机；最后在3m3箱体中注入一定量的检测溶液，加热10分钟使之完全挥发(同时开启搅拌风机)后，关闭加热器，抽样测其初始浓度，之后撤去净化机上的塑料袋，开启净化风机并开始计时，记录30分钟后的净化情况。实验温度达25士2℃。

(2)测试仪器:3m3有机玻璃箱、拌风机、温湿度计、宝健KJ625F-BJ10009空气净化机、美国Interscan公司的4160甲醛分析仪。

(3)使用Nanosem 430型场发射扫描电子显微镜分析样品材料的表面结构性质和表面孔道分布。

(4)使用3H-2000PS1型自动氮吸附分析仪测定样品材料的比表面积和孔容等结构参数。

(5)样品的相纯度和晶体结构由DX-2600X型射线衍射仪进行表征分析。

(6)红外光谱是由370FT-1R型傅立叶红外光谱仪对样品材料中的官能团进行分析。

实施例1

实施例1公开一种光催化降解甲醛复合材料，包括原料钛酸正四丁酯、无水乙醇、活性炭粉、尿素和碳酸钾，各原料的质量组分为：

光催化降解甲醛复合材料的比表面积为610～630m2/g，总孔容为0.47～0.50m3/g，孔径主要在0～50nm范围内，平均孔径为3～4nm，光催化降解甲醛复合材料的pH值在6～8范围内，光催化降解甲醛复合材料对于甲醛的去除率为85～95％，光催化降解甲醛复合材料中锐钛矿型二氧化钛所占比例在59％～73％范围内。

本实施例还公开了一种光催化降解甲醛复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：

S1、碳化热解：按质量份数取50份钛酸正四丁酯溶于300份的无水乙醇中，再加入活性炭粉150份放在磁力搅拌器上搅拌8h，然后放入电热恒温鼓风干燥箱中在120℃的温度下烘干，烘干后得到混合样品，钛酸正四丁酯为分析纯，活性炭粉的比表面积在800～1200㎡/g 范围内；

S2、浸渍：在混合样品中加入尿素30份，碳酸钾10份，混合均匀得到前驱体，活性炭粉、尿素和碳酸钾均为150～200目；

S3、二次热解：将前驱体置于惰性气体环境中，设置初始温度20℃，升温速率5℃/min，温度上升至400℃时，保温360min，惰性气体的流量为30mL/min，然后自然降至室温，得到终产物，惰性气体为氮气；

S4、洗涤烘干：将终产物放入蒸馏水中洗涤6次，然后烘干，得到光催化降解甲醛复合材料，记为TC

本实施例还公开了一种光催化降解甲醛复合材料在降低污染空气中的甲醛含量方面的应用。

实施例2

实施例2公开了公开一种光催化降解甲醛复合材料，包括原料钛酸正四丁酯、无水乙醇、活性炭粉、尿素和碳酸钾，各原料的质量组分为：

光催化降解甲醛复合材料的比表面积为610～630m2/g，总孔容为0.47～0.50m3/g，孔径主要在0～50nm范围内，平均孔径为3～4nm，光催化降解甲醛复合材料的pH值在6～8范围内，光催化降解甲醛复合材料对于甲醛的去除率为85～95％，光催化降解甲醛复合材料中锐钛矿型二氧化钛所占比例在59％～73％范围内。

本实施例还公开了一种光催化降解甲醛复合材料的制备方法，包括如下制备步骤：

S1、碳化热解：按质量份数取50份钛酸正四丁酯溶于300份的无水乙醇中，再加入活性炭粉150份放在磁力搅拌器上搅拌8h，然后放入电热恒温鼓风干燥箱中在120℃的温度下烘干，烘干后得到混合样品，钛酸正四丁酯为分析纯，活性炭粉的比表面积在800～1200㎡/g 范围内；

S2、浸渍：在混合样品中加入尿素50份，碳酸钾20份，混合均匀得到前驱体，活性炭粉、尿素和碳酸钾均为150～200目；

S3、二次热解：将前驱体置于惰性气体环境中，设置初始温度20℃，升温速率5℃/min，温度上升至500℃时，保温360min，惰性气体的流量为30mL/min，然后自然降至室温，得到终产物，惰性气体为氮气；

S4、洗涤烘干：将终产物放入蒸馏水中洗涤6次，然后烘干，得到光催化降解甲醛复合材料，记为TC

本实施例还公开了一种光催化降解甲醛复合材料在降低污染空气中的甲醛含量方面的应用。

实施例3

实施例3公开了公开一种光催化降解甲醛复合材料，包括原料钛酸正四丁酯、无水乙醇、活性炭粉、尿素和碳酸钾，各原料的质量组分为：

光催化降解甲醛复合材料的比表面积为610～630m2/g，总孔容为0.47～0.50m3/g，孔径主要在0～50nm范围内，平均孔径为3～4nm，光催化降解甲醛复合材料的pH值在6～8范围内，光催化降解甲醛复合材料对于甲醛的去除率为85～95％，光催化降解甲醛复合材料中锐钛矿型二氧化钛所占比例在59％～73％范围内。

本实施例还公开了一种光催化降解甲醛复合材料的制备方法，如图1所示，包括如下制备步骤：

S1、碳化热解：按质量份数取30份钛酸正四丁酯溶于200份的无水乙醇中，再加入活性炭粉150份放在磁力搅拌器上搅拌8h，然后放入电热恒温鼓风干燥箱中在120℃的温度下烘干，烘干后得到混合样品，钛酸正四丁酯为分析纯，活性炭粉的比表面积在800～1200㎡/g 范围内；

S2、浸渍：在混合样品中加入尿素50份，碳酸钾20份，混合均匀得到前驱体，活性炭粉、尿素和碳酸钾均为150～200目；

S3、二次热解：将前驱体置于惰性气体环境中，设置初始温度20℃，升温速率5℃/min，温度上升至600℃时，保温360min，惰性气体的流量为30mL/min，然后自然降至室温，得到终产物，惰性气体为氮气；

S4、洗涤烘干：将终产物放入蒸馏水中洗涤6次，然后烘干，得到光催化降解甲醛复合材料，记为TC

本实施例还公开了一种光催化降解甲醛复合材料在降低污染空气中的甲醛含量方面的应用。

(一)分别测试光催化降解甲醛复合材料TC

表1光催化降解甲醛复合材料TC

其中，Dap(nm)表示平均孔径，单位为nm；SBET(m2/g)表示比表面积，单位为m2/g；Smic(m2/g)表示微孔比表面积，单位为m2/g；Vt(cm3/g)表示总孔容，单位为cm3/g； Vmic(cm3/g)表示微孔孔容，单位为cm3/g。

由图2光催化降解甲醛复合材料TC

由图3光催化降解甲醛复合材料TC

由表1可知，空气净化用光催化降解甲醛复合材料TC

(二)空气净化用光催化降解甲醛复合材料TC

由图4空气净化用光催化降解甲醛复合材料TC

(三)空气净化用光催化降解甲醛复合材料TC

分析图5空气净化用光催化降解甲醛复合材料TC

(四)空气净化用光催化降解甲醛复合材料TC

分析空气净化用光催化降解甲醛复合材料TC

(五)空气净化用光催化降解甲醛复合材料TC

(六)空气净化用光催化降解甲醛复合材料TC

表2复合材料TC

空气净化用光催化降解甲醛复合材料TC

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。