納米二氧化鈦改性涂料及其甲醛降解效果研究

張寧

吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院（130000）

納米二氧化鈦改性涂料及其甲醛降解效果研究

張寧

吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院（130000）

采用溶膠凝膠制備納米二氧化鈦粉體，利用X－射線衍射(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)納米二氧化鈦進(jìn)行表征，表明在500℃下合成的銳鈦型納米二氧化鈦的顆粒分布均勻、粒徑較小。利用制備的納米二氧化鈦對(duì)涂料進(jìn)行改性，研究了涂料對(duì)甲醛降解性能，結(jié)果表明：在室溫30℃，利用紫外燈照射180 min，納米二氧化鈦改性的涂料能使甲醛降解率達(dá)到90.1%，具有良好的光催化性能。

納米二氧化鈦；光催化涂料；甲醛；降解

隨著人們對(duì)于室內(nèi)裝修的要求提高，出現(xiàn)了各種各樣的新型裝修材料，同時(shí)高檔家具和化纖地毯等產(chǎn)品在家庭中大量使用，使得室內(nèi)甲醛濃度偏高，對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害，如何有效消除室內(nèi)的甲醛引起人們的廣泛關(guān)注[1－3]。本研究利用溶膠凝膠方法在不同溫度下制備了納米二氧化鈦粉體，利用制備的納米二氧化鈦對(duì)涂料進(jìn)行改性，研究了涂料對(duì)甲醛的降解性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

鈦酸四丁酯,氨水，無(wú)水乙醇，聚乙二醇（PEG），檸檬酸，甲醛，蒸餾水，自制。某品牌商品涂料。

1.2 試驗(yàn)儀器

恒溫水浴，干燥箱，箱式馬弗爐，722型光柵分光光度計(jì)，SGY-1型多功能光化學(xué)反應(yīng)儀，電磁加熱攪拌器，瓷舟，燒杯等；用日本理學(xué)D/MAX-Ⅲ型X射線衍射儀、TEM型透射電鏡對(duì)二氧化鈦粉體進(jìn)行表征。

1.3 納米TiO2及光催化涂料的制備

首先將20 ml的鈦酸四丁酯溶解到100 mL無(wú)水乙醇中，攪拌條件下加入10 mLPEG分散劑，65℃水浴加熱攪拌，大約攪拌3 h后形成透明的淡黃色溶膠；將合成的凝膠放在干燥箱內(nèi)100℃下烘干24 h，形成干凝膠；將干凝膠磨細(xì)，放到瓷舟內(nèi)，轉(zhuǎn)移到馬弗爐內(nèi)在不同溫度下即500℃，600℃,700℃和800℃反應(yīng)4 h,得到不同的樣品，待用。

參照文獻(xiàn)的方法,將合成的納米二氧化鈦(3 g、5 g，8 g和10 g)分別加入到200 g涂料的乳液分散體系中，攪拌均勻，即制得含有不同納米二氧化鈦含量的光催化改性涂料。在400 mm×400 mm的無(wú)紡布上，將光催化涂料進(jìn)行均勻涂覆，然后在避光通風(fēng)處自然進(jìn)行晾干，再將其放置到密閉反應(yīng)器中央，備用。

1.4 光催化效率測(cè)試

將光催化涂料涂敷的無(wú)紡布懸掛在密閉的反應(yīng)容器中，將一定量的甲醛氣體充填到容器中，使其濃度達(dá)到1 mg/m3(是GB/T 1883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求中室內(nèi)甲醛濃度的10倍)，打開(kāi)風(fēng)扇使容器內(nèi)氣體混合均勻，再用紫外燈進(jìn)行照射，每隔30 min取1次樣，取7次，根據(jù)GB/T 18204.26—2000《公共場(chǎng)所空氣中甲醛的測(cè)定方法》中酚試劑分光光度法測(cè)定樣品中的甲醛，按式（1）計(jì)算得出其降解率η。

式中C0和C分別為溶液的初始濃度和降解后的濃度。隨著反應(yīng)時(shí)間的不同，依上式可得出催化劑對(duì)甲醛的降解情況和降解率。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度下合成的TiO2的XRD及SEM分析

因?yàn)門(mén)iO2的晶型直接影響到TiO2的光催化性能，所以研究不同合成溫度對(duì)TiO2晶型轉(zhuǎn)變的影響十分重要。TiO2有板鈦礦、金紅石和銳鈦礦三種晶型，板鈦礦是鈦鐵礦在風(fēng)化等過(guò)程中生成的特殊形態(tài)，是一種不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在應(yīng)用較多的是金紅石型和銳鈦型，銳鈦型TiO2在可見(jiàn)光短波范圍部分的折射率比金紅石型高，帶藍(lán)色色調(diào)，并且對(duì)O2的吸收能力比金紅石型強(qiáng)，光催化氧化活性比金紅石型高。在本實(shí)驗(yàn)中，選取以未摻WO3的TiO2作為考察對(duì)象，將TiO2的前驅(qū)體——干凝膠，分別在500℃，600℃，700℃和800℃下進(jìn)行煅燒，保溫時(shí)間為4 h，合成產(chǎn)物的XRD分析見(jiàn)圖1。從圖可以看出，TiO2于500℃時(shí)煅燒所得產(chǎn)物為銳鈦型，600℃開(kāi)始出現(xiàn)金紅石相，700℃為二者混合晶型，800℃完全轉(zhuǎn)化為金紅石型。因此，使用溶膠凝膠法合成TiO2時(shí)，為了得到銳鈦型的TiO2，其合成溫度應(yīng)控制500℃左右為宜。

圖1 不同溫度下合成產(chǎn)物TiO2的XRD分析

圖2給出了不同溫度下（500℃，600℃，700℃和800℃）合成的納米TiO2顆粒的TEM照片，由圖可知，所得產(chǎn)物為納米微粒隨著溫度的升高其粒徑增大，500℃下合成的粒徑平均尺寸在40～50 nm；而800℃合成的TiO2顆粒已經(jīng)嚴(yán)重團(tuán)聚。納米級(jí)的TiO2顆粒其比表面積較大，進(jìn)而可提高其光催化活性，在500℃下合成的顆粒分布均勻、細(xì)小粒徑小，因此實(shí)驗(yàn)選取500℃下合成的粉體進(jìn)行光催化性能研究。

圖2 不同溫度下合成產(chǎn)物TiO2的SEM分析

2.2 納米TiO2光催化涂料降解甲醛的影響因素

2.2.1 納米TiO2負(fù)載量對(duì)光催化涂料甲醛降解率的影響

圖3為在無(wú)紡布上涂敷不同負(fù)載量的納米TiO2對(duì)光催化涂料甲醛降解率的影響。由圖3可看出，無(wú)紡布上涂敷不同納米二氧化鈦的涂料對(duì)于甲醛有明顯的光催化降解作用，90 min之前，甲醛降解速率較快；而120 min之后，甲醛降解率均逐漸趨于穩(wěn)定，降解曲線趨于平緩，降解率變化已不明顯。原因是初始階段甲醛濃度較高，與光催化劑的表面活性點(diǎn)接觸的幾率高，反應(yīng)速度快；經(jīng)過(guò)120 min光催化降解后，甲醛濃度變低，與催化劑表面活性位接觸的幾率減小，因此光催化反應(yīng)的降解效率減慢，曲線趨于平緩。從圖3中還可看出，負(fù)載5 g納米二氧化鈦納米粉體經(jīng)過(guò)180 min后可使甲醛濃度降低90.1%，達(dá)到了較好的甲醛降解效果，另外，從節(jié)約成本的角度考慮，選擇摻量為5 g納米二氧化鈦納米粉體的涂料較為經(jīng)濟(jì)合理。

圖3 不同負(fù)載量對(duì)光催化涂料甲醛降解率的影響

2.2.2 溫度及濕度對(duì)光催化涂料甲醛降解率的影響

圖4為在取樣時(shí)間為120 min條件下溫度對(duì)涂料甲醛降解率的影響。由圖4可以看出，適當(dāng)提升溫度有益于甲醛的光催化降解，降解率隨著溫度的升高，含二氧化鈦涂料對(duì)甲醛的降解率也逐漸提高，這是由于溫度的升高會(huì)引起分子運(yùn)動(dòng)速率加快，進(jìn)而甲醛分子與催化劑表面的碰撞次數(shù)增多，從而加速甲醛分子的降解。當(dāng)溫度繼續(xù)上升到25℃以上后，光的波長(zhǎng)對(duì)甲醛分子降解起主導(dǎo)作用，溫度對(duì)甲醛分子降解率的影響趨于平穩(wěn)，表明溫度對(duì)涂料降解甲醛效率的影響是較為有限。

圖4 溫度對(duì)光催化涂料甲醛降解率的影響

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用溶膠凝膠在500℃下制備的納米二氧化鈦粉體具有銳鈦型結(jié)構(gòu)，其顆粒分布均勻、粒徑較小；納米二氧化鈦光催化涂料具有良好的甲醛降解效果，甲醛降解率達(dá)到90.1%，能夠起到光催化降解室內(nèi)污染物的作用。

[1]王文超,周仕學(xué),姜瑤瑤,等.室內(nèi)甲醛污染治理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2006,29(9)：106-08.

[2]程錦,李朝維,李奇.晉日亞納米二氧化鈦光催化涂料的制備及其甲醛降解效果研究[J].涂料工業(yè),2014,44(11)：41-45.

[3]李紅,王霞,郭奮,等.TiO2光催化涂料的制備及其降解甲醛研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2010,4(1)：142-146.