[发明专利]一种氧化钛涂层/泡沫碳化硅结构催化载体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及结构催化剂载体领域，具体为一种氧化钛涂层/泡沫碳化硅结构催化载体及其制备方法。

背景技术

二氧化钛(TiO₂)作为一种宽禁带半导体材料，以其化学稳定性好、安全无毒、成本低等特点，在有机污染物光降解和自清洁领域得到广泛的研究和应用。除了可以直接做光催化剂之外，氧化钛还是一种优良的催化剂载体，可与负载于其表面的催化活性组元协同作用，展现出独特的催化性能。

目前，二氧化钛的应用主要有两种方式：(1)以粉末或粉末压片再破碎得到的颗粒等形式在催化领域形成应用。粉状的问题在于催化剂与反应介质的分离成本高，操作复杂；而颗粒催化剂则存在催化剂床层传热能力差，床层压降与扩散层难以兼顾、催化剂磨损严重等矛盾；(2)以涂层方式负载在多孔陶瓷的表面，多孔陶瓷负载氧化钛后，整体催化剂的比表面较高，有利于氧化钛的充分利用，但是普通多孔陶瓷的孔洞联通率低，液体或气体在其中的流通阻力大，因而不利于氧化钛催化性能的进一步提高。此外，普通多孔陶瓷仅仅起到一个载体的作用，对氧化钛的催化净化能力没有影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种氧化钛涂层/泡沫碳化硅结构催化载体及其制备方法，所制备载体由泡沫碳化硅和涂覆于其表面的纳米氧化钛涂层共同构成，最终得到的载体具有99％以上的通孔率，流体在其中流动阻力小，催化剂利用率高。此外，所制备的泡沫碳化硅呈现出P型半导体特征，氧化钛涂层通过添加含氮物质等处理方式使之呈现不同程度的N型半导体特征，因此，材料整体上呈现P-N结特征，可促进材料的催化效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种氧化钛涂层/泡沫碳化硅结构催化载体，该催化载体由P型泡沫碳化硅和涂覆于其表面的N型纳米氧化钛涂层共同构成，按重量比计，氧化钛∶泡沫碳化硅基体＝(1～50)∶(50～300)，优选的范围为，氧化钛∶泡沫碳化硅基体＝(5～25)∶(75～150)；所述氧化钛涂层厚度为0.1～500μm，所述载体具有99％以上的通孔率，没有封闭空间；载体整体呈现P-N结特征。

上述结构催化剂载体的制备方法，包括如下步骤：

(1)将碳化硅微粉(平均粒度10nm～10μm)、树脂(环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂之一种或几种)、铁源和无水乙醇混合后，球磨0.5～2小时得到浸渍用料浆；其中，碳化硅微粉、树脂、铁源中铁元素和无水乙醇的重量比例为100∶(50～200)∶(0.75～9)∶(50～500)；

(2)将聚氨酯泡沫塑料在浸渍用料浆中浸渍1～5min，取出用压缩空气吹去多余料浆，50～150℃烘干后称重；重复上述过程直至烘干后样品达到所要求的量(0.5～3克/毫升)，得到泡沫碳化硅前驱体；

(3)将所得泡沫碳化硅前驱体依次经过热解、烧结后，得到P型泡沫碳化硅；所述热解过程在惰性气氛(氮气或氩气)下进行，热解温度800～1400℃，热解时间10～300min；所述烧结过程在硅气氛下进行，烧结温度1400～1900℃，烧结时间10～300min；将泡沫碳化硅在4mol/l的氢氧化钠溶液中100℃下处理10分钟，以增加泡沫碳化硅材料表面粗糙度，易于后续涂层的附着并增加结合牢固度；

(4)将氧化钛溶胶、氧化钛微粒和含氮盐类混合，球磨0.5～2小时得到涂层用料浆；其中，氧化钛溶胶、氧化钛微粒和含氮盐类中的氮元素以100∶(5～100)∶(1～10)的重量比例混合；

(5)将经步骤(3)所得的泡沫碳化硅在步骤(4)所得涂层用料浆中浸渍1～5min，取出后用压缩空气吹去多余料浆，50～150℃烘干后称重；重复上述过程直至涂层负载量达到所要求的量(0.01～0.5克/毫升)，得到负载涂层的泡沫碳化硅；

(6)将负载涂层的泡沫碳化硅在氮气和氨气的混合气氛中于500～1000℃处理0.5～5小时，得到具有N型氧化钛涂层的泡沫碳化硅；按体积比计，氮气∶氨气＝1∶(0.1～1)。

步骤(2)中烘干后样品所达到的量优选为0.75～1.5克/毫升，步骤(5)中涂层负载量达到的量优选为0.05～0.25克/毫升。

所述铁源为铁粉或铁的氧化物粉末，所述铁的氧化物为氧化铁、氧化亚铁或四氧化三铁。

所述铁源也可以是其它与其具有相近化学性质的金属及其化合物，如用钴源或镍源替代；所述钴源为钴粉或钴的氧化物粉末，所述镍源为镍粉或镍的氧化物粉末。

所述含氮盐类为硝酸盐或铵盐。

与其它涂层氧化钛相比，本发明具有如下有益效果：