一种限制少、效率高、成本低的光催化涂层的制备工艺

摘要

本发明涉及一种限制少、效率高、成本低的光催化涂层的制备工艺。该光催化涂层的制备工艺主要分为三个步骤，分别为：打底层的制备；防渗透层的制备；光催化层的制备。该工艺制备出的光催化涂层突破了光触媒对基底材料的要求限制，按照该工艺能够在硅酸盐水泥等表面结构复杂的基底材料上制备出催化性能优异的光催化涂层；同时该工艺扩大了光催化涂层的应用范围，使其能够在水环境中也能表现出优异的光催化性能，且光催化效率得到了较大的提高；此外，该工艺也降低了光催化涂层的制备成本。

说明书

技术领域

本发明属于新型光催化涂层制备领域，特别是一种对基底限制少、效率高、成本低的光催化涂层的制备工艺。

背景技术

近年来，我国环境问题日趋突出，尤其是水污染问题和大气污染问题的解决迫在眉睫。目前解决这些环境问题的方案中，采用在日光下具有光催化作用的物质对污染物进行催化降解是其中最佳的方案之一，其中纳米级TiO₂的光催能力是具有光催化作用的物质中最佳的。最初的工艺只是简单的将纳米级TiO₂的水溶胶喷洒至暴露的基底材料表面，但是这种喷涂工艺不能使纳米级TiO₂形成牢固的负载，纳米级TiO₂会出现大量的流失，进而导致光催化的失效。为此人们将二氧化钛制备到陶瓷、玻璃等基底材料上，然后再将其置于光催化环境中进而起到环境治理的作用，但是这样一方面会提高应用成本，另外一方面因为纳米级TiO₂需要高温结晶，所以制备过程需要高温退火，故该工艺对基底材料的选择有限制。

近年来有人将纳米级TiO₂分散到含有有机粘合剂的溶液（或分散液）中形成光催化组合物，再将这种光催化组合物直接在基底材料表面制备光催化涂层。但是目前这类光催化组合物制备的涂层都为单层结构，当这种涂层直接制备到硅酸盐水泥这类表面结构复杂的基底上时，如果涂层厚度低，很容易出现涂层覆盖不连续的情况，当将其应用于水环境中污染物的光催化降解时，这会使涂层的光催化性能大大降低，而想要使该型光催化涂层在表面结构复杂的基底上获得较好的催化效果，涂层厚度就需要增加，但是这样一来又会大大提高涂层的制备成本。综上所述，目前需要一种全新的光催化涂层制备工艺才能克服以上问题。

发明内容

鉴于现有光催化涂层制备工艺的缺陷，本发明的目的在于提供一种对基底限制少、效率高、成本低的光催化涂层的制备工艺。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种对基底限制少、效率高、成本低的光催化涂层的制备工艺，该制备工艺主要包括三步，分别为：打底层的制备；防渗透层的制备；光催化层的制备。该工艺制备出的光催化涂层为多层复合结构，其包含：

1.打底层

该结构层的制备在基底材料表面结构较复杂（例如基底材料表面具有较大孔隙或不平整）时是必需的，该结构层的制备采用的原料为5质量分数以上、30质量分数以下的二氧化硅的水溶胶（硅溶胶）。将硅溶胶直接高压喷涂在基底材料表面，干燥固化之后重复上述步骤1-7次形成打底层。硅溶胶在干燥过程中逐渐固化，其固化后在很大程度上能减小硅酸盐水泥基底上较大的孔隙，使表面结构较复杂的基底表面尽可能平整，这样就能够利于接下来其他涂层的制备。所以该结构层的最大作用是实现基底表面结构的平整化。

2.防渗透层

该结构层的主要作用为隔离基底材料与光触媒，从而避免基底材料对光催化反应的影响。该结构层的制备采用的原料是1质量分数以上、11质量分数以下的硅酮胶分散液，其中硅酮胶是由有机羟基硅酮、有机甲基硅酮、气相二氧化硅、碳酸钙、甲基硅烷组成的，稀释溶剂采用的是具有非极性的环己烷。将硅酮胶分散液直接高压喷涂在打底层表面，经20-60分钟干燥固化之后重复上述步骤1-7次形成防渗透层。之所以选择以上材料制备防渗透层，一方面，硅酮胶分散液的干燥固化形成的防渗透层具有较强的防渗透性；另外一方面，固化后的硅酮胶与打底层的粘结性能较好，且在光催化层制备所用的原材料当中也含有硅酮胶（粘合剂），这样也利于防渗透层和光催化层之间的结合。

3.光催化层

光催化层的制备步骤为：

(1)将硅酮胶加入到环己烷当中，经0.5-2小时搅拌使硅酮胶能够分散到环己烷当中；

(2)加入光触媒、钛酸四丁酯，经过1-3小时的搅拌和4-12分钟的超声分散形成稳定的分散液；

(3)采用干毛刷及高压气体喷刷方法对防渗透层表面清理，以清除防渗透层表面的松散结构或物质；

(4)将调配好的分散液利用高压喷涂在经过表面清理的防渗透层上，经20-60分钟的干燥固化，重复喷涂、干燥固化步骤1-5次形成光催化层。

光催化层的制备所采用的原料为：

(a)硅酮胶的质量分数在1到4之间；

(b)光触媒为纳米级TiO₂、ZnO、CdS、WO₃、Fe₂O₃、PbS、SnO₂、ZnS、SrTiO₃、SiO₂中的一种或多种，其质量分数在0.5到1之间；

(c)钛酸四丁酯的质量分数在0.1到0.5之间；

(d)环己烷的质量分数在94.5到98.4之间。

其中硅酮胶由有机羟基硅酮、有机甲基硅酮、气相二氧化硅、碳酸钙、甲基硅烷组成，随着光催化层的干燥硅酮胶会发生固化反应，硅酮胶的固化能够使光触媒形成牢固的负载；钛酸四丁酯作为添加剂的作用是提高光触媒在环己烷中的分散性；环己烷的主要作用是溶解、分散其他物质。

如上所述，本发明具有以下有益效果：

针对现有光催化涂层制备技术中存在的问题，本发明提供了一种对基底限制少、效率高、成本低的光催化涂层的制备工艺，按照该工艺制备出的光催化涂层性能优异。一方面由于所制备的光催化涂层为多层复合结构，其中打底层能起到平整基底表面的作用，使该工艺制备的多层复合光催化涂层不仅能在常见的陶瓷、玻璃或金属等材料表面制备涂层，还能在硅酸盐水泥等表面结构复杂的基底材料上制备出性能优异的光催化涂层，所以说该工艺能够减少光催化涂层制备对基底的限制；另一方面该工艺制备出的光催化涂层包含的防渗透层能够更有效地将基底材料与光触媒隔离，可以更好地使光催化反应不受基底材料的影响，例如制备在硅酸盐水泥表面的该多层复合涂层当其应用于水环境中的污染催化降解时，该涂层能防止硅酸盐水泥中的可溶性金属离子渗透进入水体中，从而保障光触媒能够发挥出更好的光催化的作用，这就使该型涂层更能够适用于水污染的治理，同时光催化效率得到了较大的提高；此外该工艺制备出的涂层在保证优异的光催化性能的同时，由于降低了光催化层的制备厚度，故该工艺节省光触媒的使用，同时该工艺制备的光催化涂层采用了成本低廉的原材料，故该工艺也在一定程度上降低了光催化涂层的制备成本。

综上，该工艺制备的多层复合光催化涂层性能优异，如果将其用于实际应用，定能在环境治理中发挥出巨大的作用。

具体实施方式

以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。

实施例1

本实施例是在硅酸盐水泥基底表面制备的光催化涂层，其中光触媒采用的是纯锐钛矿的纳米级TiO₂（纯锐钛矿，平均粒径为5nm），具体步骤如下：

1.打底层的制备

打底层的制备所采用的原料是6质量分数的硅溶胶。在制备打底层之前，首先对硅酸盐水泥基底进行清理，主要目的是清除基底表面的松散结构或物质，清除采用干毛刷及高压气体喷刷；之后将4mL的硅溶胶直接高压喷涂到基底表面（面积为0.01m²），并将样品于室温条件下干燥固化1小时，如此反复5次。

2.防渗透层的制备

防渗透层的制备所采用的原料是硅酮胶分散液。硅酮胶是由有机羟基硅酮、有机甲基硅酮、气相二氧化硅、碳酸钙、甲基硅烷组成的。使用之前使用环己烷对其进行稀释，使其形成硅酮胶的分散液，其中硅酮胶的质量分数为5。

在制备“防渗透层”之前需要清除打底层表面的松散结构或物质。清除采用干毛刷及高压气体喷刷。之后将4mL硅酮胶的分散液直接高压喷涂到打底层表面（面积为0.01m²），并将样品于室温条件下干燥固化30min，如此反复5次。

3.光催化层的制备

光催化层的制备步骤为：

(1)将4质量分数的硅酮胶加入到环己烷当中，经1小时搅拌使硅酮胶能够分散到环己烷当中；

(2)加入1质量分数的纳米TiO₂（纯锐钛矿，平均粒径为5nm）、0.5质量分数的钛酸四丁酯，经过2小时的搅拌及8分钟的超声分散形成分散液；

(3)采用干毛刷及高压气体喷刷方法对防渗透层表面进行清理，以清除防渗透层表面的松散结构或物质；

(4)将4mL调配好的分散液直接高压喷涂到防渗透层表面（面积为0.01m²），并将样品于室温条件下干燥固化30min，如此反复2次。

将制备的样品进行光催降解实验，实验在100mL罗丹明B水溶液（20mg/L）中进行，光催化实验2小时测得罗丹明B的脱色率为93%。

实施例2

本实施例是在硅酸盐水泥基底表面制备的光催化涂层，其中光触媒采用的是纳米级TiO₂（纯锐钛矿，平均粒径为5nm）和P25（德固赛），具体步骤如下：

1.打底层的制备

打底层的制备所采用的原料是6质量分数的硅溶胶。在制备打底层之前，首先对硅酸盐水泥基底进行清理，主要目的是清除基底表面的松散结构或物质，清除采用干毛刷及高压气体喷刷；之后将4mL的硅溶胶直接高压喷涂到基底表面（面积为0.01m²），并将样品于室温条件下干燥固化1小时，如此反复5次。

2.防渗透层的制备

防渗透层的制备所采用的原料是硅酮胶分散液。硅酮胶是由有机羟基硅酮、有机甲基硅酮、气相二氧化硅、碳酸钙、甲基硅烷组成的。使用之前使用环己烷对其进行稀释，使其形成硅酮胶的分散液，其中硅酮胶的质量分数为5。

在制备“防渗透层”之前需要清除打底层表面的松散结构或物质。清除采用干毛刷及高压气体喷刷。之后将4mL硅酮胶的分散液直接高压喷涂到打底层表面（面积为0.01m²），并将样品于室温条件下干燥固化30min，如此反复5次。

3.光催化层的制备

光催化层的制备步骤为：

(1)将4质量分数的硅酮胶加入到环己烷当中，经1小时搅拌使硅酮胶能够分散到环己烷当中；

(2)加入0.8质量分数的纳米TiO₂（纯锐钛矿，平均粒径为5nm）、0.2质量分数的P25（德固赛）及0.5质量分数的钛酸四丁酯，经过2小时的搅拌及8分钟的超声分散形成分散液；

(3)采用干毛刷及高压气体喷刷方法对防渗透层表面进行清理，以清除防渗透层表面的松散结构或物质；

(4)将4mL调配好的分散液直接高压喷涂到防渗透层表面（面积为0.01m²），并将样品于室温条件下干燥固化30min，如此反复2次。

将制备的样品进行光催降解实验，实验在100mL罗丹明B水溶液（20mg/L）中进行，光催化实验2小时测得罗丹明B的脱色率为97%。

实施例3

本实施例是在陶瓷（不含釉面）基底表面制备的光催化涂层，其中光触媒采用的是纯锐钛矿的纳米级TiO₂（纯锐钛矿，平均粒径为5nm），具体步骤如下：

1.打底层的制备

打底层的制备所采用的原料是6质量分数的硅溶胶。在制备打底层之前，首先对陶瓷（不含釉面）基底进行清理，主要目的是清除基底表面的松散结构或物质，清除采用干毛刷及高压气体喷刷；之后将4mL的硅溶胶直接高压喷涂到基底表面（面积为0.01m²），并将样品于室温条件下干燥固化1小时，如此反复2次。

2.防渗透层的制备

防渗透层的制备所采用的原料是硅酮胶分散液。硅酮胶是由有机羟基硅酮、有机甲基硅酮、气相二氧化硅、碳酸钙、甲基硅烷组成的。使用之前使用环己烷对其进行稀释，使其形成硅酮胶的分散液，其中硅酮胶的质量分数为5。

在制备“防渗透层”之前需要清除打底层表面的松散结构或物质。清除采用干毛刷及高压气体喷刷。之后将4mL硅酮胶的分散液直接高压喷涂到打底层表面（面积为0.01m²），并将样品于室温条件下干燥固化30min，如此反复5次。

3.光催化层的制备

光催化层的制备步骤为：

(1)将4质量分数的硅酮胶加入到环己烷当中，经1小时搅拌使硅酮胶能够分散到环己烷当中；

(2)加入1质量分数的纳米TiO₂（纯锐钛矿，平均粒径为5nm）、0.5质量分数的钛酸四丁酯，经过2小时的搅拌及8分钟的超声分散形成分散液；

(3)采用干毛刷及高压气体喷刷方法对防渗透层表面进行清理，以清除防渗透层表面的松散结构或物质；

(4)将4mL调配好的分散液直接高压喷涂到防渗透层表面（面积为0.01m²），并将样品于室温条件下干燥固化30min，如此反复2次。

将制备的样品进行光催降解实验，实验在100mL罗丹明B水溶液（20mg/L）中进行，光催化实验2小时测得罗丹明B的脱色率为94%。

对比例

本实验是实施例1的对比例。实验是在硅酸盐水泥基底表面制备的不含打底层和防渗透层的光催化涂层。光催化层的制备步骤为：

(1)将4质量分数的硅酮胶加入到环己烷当中，经1小时搅拌使硅酮胶能够分散到环己烷当中；

(2)加入1质量分数的纳米TiO₂（纯锐钛矿，平均粒径为5nm）、0.5质量分数的钛酸四丁酯，经过2小时的搅拌及8分钟的超声分散形成分散液；

(3)采用干毛刷及高压气体喷刷方法对硅酸盐水泥表面进行清理，以清除防渗透层表面的松散结构或物质；

(4)将4mL调配好的分散液直接高压喷涂到基底表面（面积为0.01m²），并将样品于室温条件下干燥固化30min，如此反复2次。

将制备的样品进行光催降解实验，实验在100mL罗丹明B水溶液（20mg/L）中进行，光催化实验2小时测得罗丹明B的脱色率为46%。