[发明专利]一种三维纳米负载型催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属催化剂载体的制备领域，特别是涉及一种三维纳米负载型催化剂的制备方法。

背景技术

光化学氧化法由于其反应条件温和(常温、常压)、氧化能力强和速度快等优点，是近年来发展起来的废水处理新技术。光化学氧化可分为光分解、光敏化氧化、光激发氧化和光催化氧化四种，其中光催化氧化法以氧化物半导体材料为催化剂，能够有效破坏许多结构稳定的生物难降解的有机污染物，大大提高分解效率，具有节能高效、污染物降解彻底、易操作、无二次污染等优点，几乎所有的有机物在光催化作用下都可以完全氧化为CO₂、H₂O等简单无机物。实践表明，纳米氧化物半导体材料光催化氧化降解有机物是目前最有希望和应用前景的的污染物治理新技术之一。在光催化中使用的催化剂有很多种，近几年的研究表明，TiO₂的光催化活性和稳定性相对较好，且难溶无毒、成本低，是较理想的光催化剂，在废水处理、空气净化等环保领域有着诱人的应用前景，。但是，由于传统的粉末型TiO₂光催化剂易于团聚、分离困难、回收难度大，特别难以直接用于空气净化，影响了其推广与使用。

负载技术是解决纳米TiO₂类光催化剂实用化的关键。将纳米级TiO₂负载于一定的载体上，设计出高效的光反应器是其实用化和工业化的关键所在。目前所用的催化剂载体都是块体材料，如不锈钢丝网、泡沫金属、活性炭等等，这些材料用来负载催化剂的尺寸大部分都在毫米量级以上，最小也有微米量级，比表面积相对较小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种三维纳米负载型催化剂的制备方法，该制备工艺简单，成本低，易于推广利用；所得催化剂载体能够使催化剂材料高度分散、易于回收，可重复利用，催化剂作用面积大。

本发明的一种三维纳米负载型催化剂的制备方法，包括：

(1)纳米球覆盖衬底：首先在衬底上均匀地覆盖一层含有纳米球(如SiO₂纳米球，等)的溶液，纳米球溶液通过化学方法制备，如常用的溶胶法或水热法等，室温放置自然干燥或烘干；

(2)以纳米球为模板的刻蚀：以纳米球为掩模板，通过纳米球与衬底的不同刻蚀或腐蚀速率，采用干法刻蚀或湿法腐蚀；

(3)负载催化剂材料：在上述刻蚀出的载体上沉积催化剂材料，如TiO₂，等。

所述的衬底材料无限制，可以是透明衬底，也可以是非透明衬底；可以是常用的Si片等半导体材料，也可以是石英、普通玻璃，陶瓷基片等介质材料或金属材料。

所述的纳米球材料无限制，可以是介质材料，也可以是半导体材料或金属材料；可以是无机材料，也可以是有机材料。

所述的纳米球的形状无限制，不限于球状结构，可以是其它任意形状的纳米结构，如三角状、树枝状，等等。

所述的催化剂材料无限制，可以是TiO₂，也可以是其它任何催化剂材料(金属，半导体等)，只要与所用的负载材料有较好的结合力。

所述的干法刻蚀不限于反应离子刻蚀，可以是其它刻蚀技术，只要对所用的纳米球材料和衬底材料具有一定的刻蚀选择比即可。

所述的湿法腐蚀不限于常用的硫酸、氢氟酸、磷酸等，可以是其它的酸性溶液，也可以是碱性溶液，只要对所用的纳米球材料和衬底材料具有一定的腐蚀选择比即可。

所述的在纳米柱状阵列上负载催化材料的方法可以是溶胶-凝胶法、水热法、浸渍或喷涂法，也可是其它任何化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)方法，且不局限于这些方法。

所述的催化剂可以是单层催化剂，也可以2层或多层(3层以上)催化剂，多层催化剂中每层催化剂材料可以是不同的金属，也可以是不同的半导体或其它类型材料。

所述的多层催化剂可以由其它任意两类或两类以上不同类型的催化剂构成，比如由金属和半导体催化剂交叠构成两层或多层催化剂结构。

催化剂与纳米球掩膜、纳米柱状载体既可以形成无机-无机复合纳米结构，也可以形成无机-有机复合纳米结构或者有机-有机复合纳米结构。