納米二氧化鈦改性涂料及其甲醛降解效果研究

張寧

吉林大學化學學院（130000）

納米二氧化鈦改性涂料及其甲醛降解效果研究

張寧

吉林大學化學學院（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)對納米二氧化鈦進行表征，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涂料進行改性，研究了涂料對甲醛降解性能，結果表明：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

隨著人們對于室內裝修的要求提高，出現了各種各樣的新型裝修材料，同時高檔家具和化纖地毯等產品在家庭中大量使用，使得室內甲醛濃度偏高，對人體健康造成嚴重危害，如何有效消除室內的甲醛引起人們的廣泛關注[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涂料進行改性，研究了涂料對甲醛的降解性能。

1 試驗

1.1 試驗原料

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

1.2 試驗儀器

恒溫水浴，干燥箱，箱式馬弗爐，722型光柵分光光度計，SGY-1型多功能光化學反應儀，電磁加熱攪拌器，瓷舟，燒杯等；用日本理學D/MAX-Ⅲ型X射線衍射儀、TEM型透射電鏡對二氧化鈦粉體進行表征。

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100℃下烘干24 h，形成干凝膠；將干凝膠磨細，放到瓷舟內，轉移到馬弗爐內在不同溫度下即500℃，600℃,700℃和800℃反應4 h,得到不同的樣品，待用。

參照文獻的方法,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的無紡布上，將光催化涂料進行均勻涂覆，然后在避光通風處自然進行晾干，再將其放置到密閉反應器中央，備用。

1.4 光催化效率測試

將光催化涂料涂敷的無紡布懸掛在密閉的反應容器中，將一定量的甲醛氣體充填到容器中，使其濃度達到1 mg/m3(是GB/T 1883—2002《室內空氣質量標準》要求中室內甲醛濃度的10倍)，打開風扇使容器內氣體混合均勻，再用紫外燈進行照射，每隔30 min取1次樣，取7次，根據GB/T 18204.26—2000《公共場所空氣中甲醛的測定方法》中酚試劑分光光度法測定樣品中的甲醛，按式（1）計算得出其降解率η。

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

2 結果與討論

2.1 不同溫度下合成的TiO2的XRD及SEM分析

因為TiO2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TiO2晶型轉變的影響十分重要。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化等過程中生成的特殊形態，是一種不穩定結構，現在應用較多的是金紅石型和銳鈦型，銳鈦型TiO2在可見光短波范圍部分的折射率比金紅石型高，帶藍色色調，并且對O2的吸收能力比金紅石型強，光催化氧化活性比金紅石型高。在本實驗中，選取以未摻WO3的TiO2作為考察對象，將TiO2的前驅體——干凝膠，分別在500℃，600℃，700℃和800℃下進行煅燒，保溫時間為4 h，合成產物的XRD分析見圖1。從圖可以看出，TiO2于500℃時煅燒所得產物為銳鈦型，600℃開始出現金紅石相，700℃為二者混合晶型，800℃完全轉化為金紅石型。因此，使用溶膠凝膠法合成TiO2時，為了得到銳鈦型的TiO2，其合成溫度應控制500℃左右為宜。

圖1 不同溫度下合成產物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顆粒已經嚴重團聚。納米級的TiO2顆粒其比表面積較大，進而可提高其光催化活性，在500℃下合成的顆粒分布均勻、細小粒徑小，因此實驗選取500℃下合成的粉體進行光催化性能研究。

圖2 不同溫度下合成產物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負載量對光催化涂料甲醛降解率的影響

圖3為在無紡布上涂敷不同負載量的納米TiO2對光催化涂料甲醛降解率的影響。由圖3可看出，無紡布上涂敷不同納米二氧化鈦的涂料對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接觸的幾率高，反應速度快；經過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，因此光催化反應的降解效率減慢，曲線趨于平緩。從圖3中還可看出，負載5 g納米二氧化鈦納米粉體經過180 min后可使甲醛濃度降低90.1%，達到了較好的甲醛降解效果，另外，從節約成本的角度考慮，選擇摻量為5 g納米二氧化鈦納米粉體的涂料較為經濟合理。

圖3 不同負載量對光催化涂料甲醛降解率的影響

2.2.2 溫度及濕度對光催化涂料甲醛降解率的影響

圖4為在取樣時間為120 min條件下溫度對涂料甲醛降解率的影響。由圖4可以看出，適當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，含二氧化鈦涂料對甲醛的降解率也逐漸提高，這是由于溫度的升高會引起分子運動速率加快，進而甲醛分子與催化劑表面的碰撞次數增多，從而加速甲醛分子的降解。當溫度繼續上升到25℃以上后，光的波長對甲醛分子降解起主導作用，溫度對甲醛分子降解率的影響趨于平穩，表明溫度對涂料降解甲醛效率的影響是較為有限。

圖4 溫度對光催化涂料甲醛降解率的影響

3 結論

實驗結果表明，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構，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，甲醛降解率達到90.1%，能夠起到光催化降解室內污染物的作用。

[1]王文超,周仕學,姜瑤瑤,等.室內甲醛污染治理技術的研究進展[J].環境科學與技術,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,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].環境工程學報,2010,4(1)：142-146.