空心玻璃微珠/纳米TiO2复合材料的制备与表征
Characterization and synthesis of hollow glass microspheres/nano-TiO2 composite material
通讯作者:
收稿日期: 2020-02-25
基金资助: |
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Received: 2020-02-25
Fund supported: | 浙江省自然科学基金资助项目(LQY18E080001);浙江省交通运输厅资助项目(2019054) |
作者简介 About authors
严守靖(1993—),男,硕士生,从事光催化降解材料与路面无损检测的研究.orcid.org/0000-0003-2951-7268.E-mail:
为了获得催化活性高、抗磨耗性能强的光催化复合材料,研究通过冷-碱腐蚀处理手段和高温黏附技术,制备空心玻璃微珠-纳米TiO2光催复合材料. 利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和UV-Vis等设备,对样品进行表征. 以汽车尾气为降解对象,采用搓揉试验机和自制的环境测试系统,分别测试复合材料的抗磨耗性能与光催化效能. 结果表明,纳米TiO2能够较好地附着到空心玻璃微珠表面,空心玻璃微珠-纳米TiO2光催化复合材料相对于纯纳米TiO2具有更强的透光能力和光催化降解能力. 该复合材料对汽车尾气中的一氧化氮和二氧化氮均有显著的降解效果,氮氧化物的净化效果高于一氧化碳和二氧化硫,具有较好的抗磨耗能力.
关键词:
A photocatalytic composite material was prepared by cold-alkali corrosion treatment and high-temperature adhesion technique in order to obtain a photocatalytic composite material with high catalytic activity and good wear resistance. Then scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD) and UV-Vis and other equipment were used to characterize the sample. The anti-wearing performance and photocatalytic of this composite material were tested by kneading machine and custom-designed environmental test setup, respectively, using exhaust gas of automobile. Results showed that nano-TiO2 embedded on the surface of hollow glass microspheres homogeneously. Hollow glass microspheres/nano-TiO2 composite photocatalyst has higher light transmission ability and degradation efficiency than pure nano-TiO2. The composite material has significant degradation effects on nitric oxide and nitrogen dioxide in automobile exhaust. The purification effect of nitrogen oxides is higher than carbon monoxide and sulfur dioxide, and has good anti-wearing ability.
Keywords:
本文引用格式
严守靖, 王洋洋, 迟凤霞, 罗雪.
YAN Shou-jing, WANG Yang-yang, CHI Feng-xia, LUO Xue.
目前,针对提高纳米TiO2催化活性的方法主要有半导体表面耦合法、贵金属离子积淀法、表面光敏化法等[4],但都存在一些缺陷. 半导体表面耦合法中易产生杂质能级,不利于光催化响应[5-6];贵金属离子积淀法容易过度覆盖半导体表面,使得金属成为空穴电子对复合的中心,不利于提高光催化活性;表面光敏化法中的活性化合物多为有机物,使用寿命较低[7]. 近年来,利用玻璃微珠的透光性来增强光照的入射深度,提高光催化效率,成为光催化复合材料研究的热点. 夏志伟等[8]采用溶-凝胶法将二氧化钛包覆在玻璃微珠上,分析不同钛盐浓度、pH值、静置时间和煅烧温度对包覆率的影响. 范利灵等[9]采用非均匀沉淀法将二氧化钛包覆在空心玻璃微珠上,结果发现,TiO2颗粒包覆玻璃微珠后具有良好的光催化和隔热效果. Leng等[10]采用氢氟酸处理玻璃微珠,再将纳米TiO2分散到玻璃微珠表面,通过实验发现,玻璃微珠破碎较多,纳米TiO2容易聚团.总结以往的研究成果发现,采用溶-凝胶法和水解沉淀法工艺复杂,纳米TiO2容易聚团,利用氢氟酸处理玻璃微珠,容易破碎.
为了解决玻璃微珠-纳米TiO2复合制备的问题,本文研发出新型负载方式. 以空心玻璃微珠为载体,将纳米TiO2颗粒预负载到冷-碱腐蚀(cold-alkaline corrosion,CAC)处理过的玻璃微珠表面,利用高温黏附(high temperature adhesion,HTA)技术,将纳米二氧化钛颗粒黏附到玻璃微珠表面微观的纹理结构中. 利用XRD、SEM和紫外光分光度计,对样品进行表征;以汽车尾气中一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)和二氧化硫(SO2)为降解对象,研究该复合光催化材料的光催化性能.
1. 实验材料与方法
1.1. 样品制备
空心玻璃微珠进行预处理:将玻璃微珠在20 °C的饱和Ca(OH)2溶液中浸泡12 h,用去离子水冲洗5、6遍至中性,将玻璃微珠放入80 °C的烘箱中干燥4 h.
纳米TiO2预负载:在烧杯中配置质量分数为0.5%的锐钛矿纳米TiO2水溶液,加入预处理过的玻璃微珠,纳米TiO2与玻璃微珠纳米TiO2的质量比为1∶40;设置机械搅拌器的转速为800 r/min,搅拌时间为20 min,静置5 min,连同烧杯一起放入80 °C烘箱中干燥6 h.
制备玻璃微珠-纳米TiO2复合光催化材料:将预负载过纳米TiO2的玻璃微珠倒入坩埚,置于450 °C的马弗炉中1.5 h;待马弗炉温度自然冷却后,立即盖上坩埚盖,转移至干燥锅中保存.
1.2. 样品表征
采用日本岛津公司的XRD-6100型X射线衍射仪定性分析样品的物质组成,测试条件如下:Cu Ka射线(u=0.154 18 nm),靶电压为40 kV,靶电流为40 mA,扫描范围为3°~80°,步长为0.02°,扫描速度为10 °/min. 利用德国CARL ZEISS公司的SIGMA-500型扫描电子显微镜,观察样品的微观形貌. 借助北京普析公司的TU1901型双光束紫外可见光分光光度计,测量样品的透光能力.
1.3. 光催化性能测试
通过自制的环境测试设备,测试空心玻璃微珠-纳米TiO2复合光催化材料的光催化性能,设备具有室外真实测试和室内模拟2种测试功能. 采用透光性能优良的有机玻璃制作气体反应箱,尺寸为500 mm ×500 mm×400 mm,箱体顶部等距平行安装3盏功率为10 W的紫外灯模拟光照环境,每盏灯的紫外光辐照度为30 W/m2. 本次测试在(25±5) °C室温、室内紫外光辐照度为300 W/m2的条件下开展. 将玻璃微珠-纳米二氧化钛复合材料与水按照1∶100的比例配制成水溶液,涂覆在车辙板上烘干备用. 每块车辙板面积约为0.09 m2,空心空白组(BG)、玻璃微珠组(HGM)、纳米TiO2组(TiO2)和空心玻璃微珠-纳米TiO2复合材料组(HGM-TiO2)的纳米TiO2有效负载量见表1. 表中,
表 1 单位质量复合催化剂中纳米二氧化钛有效负载量
Tab.1
组号 | 试件数量 | |
BG | 3 | 0 |
HGM | 3 | 0 |
TiO2 | 3 | 1.601 |
HGM-TiO2 | 3 | 1.601 |
收集汽车发动机怠速状态下的汽车尾气约15 min,封闭进出口,转移到室内,开展气体浓度测试. 采用尾气测试装置为NHA-506型尾气排放分析仪,测试的频率为10 min/次. 首次测试在汽车尾气采集完成后10 min,在箱体内气体浓度稳定不变后停止测试. 光催化性能测试过程如图1所示.
图 1
1.4. 抗磨耗能力测试
图 2
2. 结果与讨论
2.1. SEM和XRD分析
如图3(a)~(c)所示分别为原玻璃微珠、预处理玻璃微珠及玻璃微珠-纳米TiO2复合材料的SEM图,代表了复合材料制备的过程. 由图3(a)可知,原玻璃微珠的表面十分光滑,经过饱和Ca(OH)2的浸泡处理后,图3(b)的玻璃微珠表面出现了不规则的沟壑状纹理结构,且该纹理结构的宽度为20~50 nm,深度大约为10 nm,这为负载纳米TiO2 (平均粒径为10 nm)提供了很好的途径. 由于玻璃微珠的主要成分为硼硅酸钠,是由SiO2、Na2O和B2O3 3种成分共混组成的非晶体材料[12]. 三者的熔点分别为1 650、1 132、445 °C,即玻璃微珠在445 °C下表面会产生熔融的B2O3[13-14]. 将预负载过纳米TiO2的玻璃微珠置于450 °C的马弗炉后中,利用熔融的B2O3黏附进入沟壑状纹理的纳米TiO2;待自然冷却后,纳米TiO2牢固地附着到玻璃微珠的表面,形成玻璃微珠-纳米TiO2复合光催化材料,如图3(c)所示. 与文献[15~18]报道的负载方式相比,采用冷-碱腐蚀和高温黏附的技术,能够使得纳米TiO2均匀地附着到空心玻璃微珠表面.
图 3
如图4所示为空心玻璃微珠、空心玻璃微珠-纳米TiO2以及纳米TiO2的XRD图. 图中,
图 4
2.2. 透光能力分析
如图5所示为空心玻璃微珠、纳米TiO2和空心玻璃微珠-纳米TiO2复合材料的透射光谱. 图中,
图 5
图 5 空心玻璃微珠、纳米TiO2和空心玻璃微珠-纳米TiO2透光光谱
Fig.5 Transmission spectrum of hollow glass bead,nano-TiO2 and hollow glass bead-TiO2
2.3. 光催化降解能力分析
表2给出不同材料的单阶段汽车尾气光催化降解评价效果. 表中,
表 2 单阶段汽车尾气光催化降解评价效果
Tab.2
降解 对象 | 纳米TiO2 | 空心玻璃微珠-纳米TiO2复合材料 | |||
| | | | ||
NO | 2.34 | 88.24 | 3.41 | 89.38 | |
NO2 | 1.20 | 88.89 | 1.70 | 91.67 | |
CO | 17.1 | 9.47 | 22.90 | 14.52 | |
SO2 | 1.29 | 9.70 | 1.51 | 12.00 |
式中:
如图6所示为室内光照条件下的光催化降解效能测试结果. 图中,
图 6
2.4. 抗磨耗能力分析
如图7所示为在室内光照条件下,经过不同磨耗次数后的光催化材料残余降解效能测试结果. 图中,
图 7
图 7 NO、NO2、SO2、CO气体的残余降解效能
Fig.7 Residual remove efficiency of NO,NO2,SO2 and CO
在经过6个阶段21 600次磨耗后,纳米TiO2组中NO、NO2、SO2和CO的残余降解效能分别为49.42%、37.43%、4.91%和5.08%,空心玻璃微珠-纳米TiO2复合材料组中NO、NO2、SO2和CO残余降解效能分别为64.18%、53.12%、6.98%和6.07%. 空心玻璃微珠-纳米TiO2复合材料组的残余降解效能曲线都高于其他组,这是由于在磨耗过程中,纳米TiO2组更容易被车轮带走,残余纳米TiO2材料光催化效能低于空心玻璃微珠-纳米TiO2复合材料. 由此表明,空心玻璃微珠-纳米TiO2复合材料在路面上的抗磨耗能力最好.
3. 结 论
(1)通过冷-碱腐蚀处理,空心玻璃微珠表面出现不规则的沟壑状纹理结构;采用高温黏附负载技术,能够将纳米TiO2较好地附着到空心玻璃微珠表面.
(2)空心玻璃微珠-纳米TiO2复合材料的平均透光率为69.5%,比纯纳米TiO2的透光率提高了26.7%,由此表明复合材料具有更强的透光性.
(3)在(25±5) °C室温、紫外光辐照度为300 W/m2的实验室条件下. 空心玻璃微珠-纳米TiO2复合材料比单纯的纳米TiO2有更好的催化活性,光催化降解效率提高了12.5%. 空心玻璃微珠-纳米TiO2复合材料的残余降解效能最高,抗磨耗能力最强.
参考文献
Vehicle exhaust: an overstated cause of haze in China
[J].
Source apportionment for fine particulate matter in a Chinese city using an improved gas-constrained method and comparison with multiple receptor models
[J].
Photocatalytic abatement of NOx pollutants in the air using commercial functional coating with porous morphology
[J].
提高二氧化钛纳米管光电活性方法的研究进展
[J].
Research progress of the methods for improvement of photoelectrochemical activity of TiO2 nanotubes
[J].
钛铁矿制备二氧化钛-四氧化三铁复合材料及其光催化应用
[J].
Synthesis of Fe3O4/TiO2 composites from ilmenite and the photocatalytic performance thereof
[J].
用化学沉积法在以废碎玻璃瓶为原料制备的玻璃微珠表面镀二氧化钛薄膜
[J].
Glass beads prepared from broken glass bottles material and coating with TiO2 thin film using chemical deposition method
[J].
Study on air-purifying performance of asphalt mixture specimens coated with titanium dioxide using different methods
[J].
Novel method of coating titanium dioxide onto asphalt mixture based on the breath figure process for air-purifying purpose
[J].
Immobilized TiO2 on glass spheres applied to heterogeneous photocatalysis: photoactivity, leaching and regeneration process
[J].
Concurrent photocatalytic degradation of organic contaminants and photocathodic protection of steel Ag–TiO2 composites
[J].
Chemical durability and photocatalyst activity of acid-treated ceramic TiO2 nanocomposites
[J].
The effect of Interfacial chemical bonding in TiO2-SiO2 composites on their photocatalytic NOx abatement performance
[J].
Synthesis of TiO2 nanofiber-nanoparticle composite catalyst and its photocatalytic decolorization performance of reactive black 5 dye from aqueous solution
[J].DOI:10.5614/j.eng.technol.sci.2017.49.3.4 [本文引用: 1]
Photocatalytic reaction and degradation of methylene blue on TiO2 nano-sized particles
[J].DOI:10.1016/j.ijleo.2016.04.026 [本文引用: 1]
Elementary photocatalytic chemistry on TiO2 surfaces
[J].DOI:10.1039/C5CS00448A [本文引用: 1]
Enhancement of photocatalytic properties of TiO2 for NO photo-oxidation by optimized sol-gel synthesis
[J].DOI:10.1007/s11164-016-2518-7 [本文引用: 1]
纳米TiO2的光催化机理及其影响因素分析
[J].DOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2008.01.008 [本文引用: 1]
Photocatalytic mechanism of nano-TiO2 and analysis on factors influencing its photocatalytic activity
[J].DOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2008.01.008 [本文引用: 1]
Enhancement of visible-light photocatalytic activity of Cu-doped TiO2 nanoparticles
[J].DOI:10.1007/s11164-015-2179-y [本文引用: 1]
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