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基本信息
- 項目名稱：
- 超強光催化污水處理材料--元素摻雜三維有序多孔二氧化鈦微球制備及光催化研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 隨著工業(yè)化發(fā)展，水污染日趨嚴重。該作品用自組裝、溶膠—凝膠法和微波煅燒法等先進技術(shù)制備出元素摻雜三維有序多孔二氧化鈦微球，其宏觀微米可控(50μm～150μm)，有效解決了回收難的問題；微觀表面成互通六邊形孔洞規(guī)則排列(孔徑200nm～250nm)，無需載體；元素摻雜量超過1%。光催化實驗證明：該作品光催化性能明顯優(yōu)于商品級二氧化鈦粉體，可有效地用于污水處理。是故，市場前景廣闊。
- 詳細介紹：
- 隨著全球大規(guī)模工業(yè)化的突飛猛進，環(huán)境污染越來越嚴重，特別是水資源污染已嚴重威脅著人類的健康，對社會、自然、生態(tài)造成巨大破壞，甚至危及人類自身生存，引起了人們的高度重視。傳統(tǒng)污水處理方法主要有：過濾法、沉淀法、氣浮法、化學(xué)混凝法等，但這些方法去除率低，凈化很不徹底，而且對廢水具有極大的選擇性。 納米二氧化鈦作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，以其廉價無毒、抗光腐蝕、催化活性高、氧化能力強、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，在光催化降解有機物和污水處理領(lǐng)域備受人們的關(guān)注。但二氧化鈦的禁帶寬度為3.0～3.2eV，只能在近紫外光區(qū)(λ<380nm)發(fā)生光催化反應(yīng)，大大降低了太陽能的利用率，因此通過復(fù)合或摻雜其它元素來擴大二氧化鈦的光譜響應(yīng)范圍，在可見光甚至是室內(nèi)光源的激發(fā)下產(chǎn)生催化活性一直是國內(nèi)外研究的熱點。而且，對于現(xiàn)有光催化劑：二氧化鈦納米粉體如P25、二氧化鈦納米膜，納米粉體有很高的比表面積，但是難于回收；納米薄膜涂在載體上易于回收，卻減少了與物質(zhì)的接觸面積；納米棒雖具有較大的比表面積，但需涂附載體上。相比較而言，有序大球多孔二氧化鈦微球無需涂附載體，并且易于回收從而多次利用，因此在光催化污水領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢。 本作品設(shè)計、發(fā)明主要目的是通過乳液聚合法制備單分散納米級聚合物微球，然后利用自組裝技術(shù)，于疏水性的二甲基硅油中制備出微米級的膠體晶體大球；其次以二氧化鈦前驅(qū)體為原料，采用溶膠-凝膠模板法制備出三維有序多孔二氧化鈦大球，最后利用微波輻照結(jié)合煅燒技術(shù)對三維有序多孔二氧化鈦微球進行摻雜改性即硫元素摻雜與釔元素摻雜。 該作品兼容了傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢，又摒棄了傳統(tǒng)技術(shù)劣勢。運用溶膠-凝膠法、自組裝等先進技術(shù)制備出三維有序大球多孔二氧化鈦微球——微米可見，有效解決了回收難的問題；表面納米多孔，似“蜂窩狀”，增加了比表面積，提高了單位光催化效率；該作品選用微波煅燒法等先進技術(shù)二氧化鈦微球進行功能化即硫元素摻雜與釔元素摻雜——擴大光響應(yīng)范圍，在太陽光能下即可催化。所制備的元素摻雜三維有序多孔二氧化鈦微球超強自然光催化污水處理材料，宏觀微米可控(50μm～150μm可調(diào)控)；微觀表面由相互連通的六邊形孔洞規(guī)則排列(孔徑分布在200nm～250nm)；元素摻雜量超過1%(以硫元素摻雜為例，光電子能譜XPS分析摻雜量為1.44%)。光催化實驗證明：用重鉻酸鉀溶液模擬有毒無機污水，硫雜二氧化鈦微球紫外光照120min后對重鉻酸鉀的降解率為95.8%，高于二氧化鈦商品級P25(70.5%)；用甲基橙溶液模擬有色有機污水，釔雜二氧化鈦微球太陽光照360min后，甲基橙溶液的的降解率47.6%，高于二氧化鈦商品級P25的降解率5.1%。即摻雜后的二氧化鈦微球光催化性能明顯優(yōu)于商品級二氧化鈦粉體，可有效地用于有機污水處理。 市場調(diào)查，污水處理迫在眉睫，需求極大，故該作品應(yīng)用前景廣闊，可以規(guī)模生產(chǎn)與市場推廣。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- (1)設(shè)計目的：水污染日益嚴重。市面上用于實際污水治理的納米二氧化鈦(TiO2)粉體如P25，仍然存在太陽光催化效率低、納米粉體難以回收等問題。這些問題有待解決。 (2)基本思路：利用高分子乳膠粒模板技術(shù)，通過自組裝與溶膠-凝膠模板方法，制備結(jié)構(gòu)可控、比表面大的三維有序多孔二氧化鈦微球——宏觀微米可見、易于分離，有效解決了回收難的問題，表面納米多孔，似“蜂窩狀”，增加了比表面積。利用微波輻照結(jié)合煅燒技術(shù)對三維有序多孔二氧化鈦微球進行摻雜改性即硫元素摻雜與釔元素摻雜——擴大光響應(yīng)范圍，在太陽光下即可催化處理污水，提高光催化活性和效率。 (3)創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵：該作品運用了高分子乳膠粒模板技術(shù)、溶膠-凝膠法、自組裝和微波輻照煅燒等新型關(guān)鍵技術(shù)，科技含量高。 (4)主要技術(shù)指標(biāo)：所制備的元素摻雜三維有序多孔二氧化鈦微球超強光催化污水處理材料，宏觀微米可控(50μm～150μm)；微觀表面由相互連通的六邊形孔洞規(guī)則排列(孔徑分布在200nm～250nm)；元素摻雜量超過1%(XPS分析硫摻雜量為1.44%)。光催化實驗證明：用重鉻酸鉀溶液模擬有毒無機污水，硫雜二氧化鈦微球紫外光照120min后對重鉻酸鉀的降解率為95.8%，高于二氧化鈦商品級P25(70.5%)；用甲基橙溶液模擬有色有機污水，釔雜二氧化鈦微球太陽光照350min后，甲基橙溶液的的降解率47.6%，高于二氧化鈦商品級P25的降解率5.1%。
科學(xué)性、先進性
- 納米二氧化鈦光催化可利用太陽光、紫外光將污染物分解為無害物質(zhì)，無二次污染。但是市面上用于實際污水治理的納米二氧化鈦，仍然存在問題： (1)二氧化鈦禁帶寬度較寬，只能在近紫外光區(qū)發(fā)生光催化反應(yīng)，故其對太陽能利用率低，而使用紫外線燈等人工光源，要耗費大量能量； (2)納米二氧化鈦粉體如商品P25，難以回收；納米二氧化鈦薄膜涂在載體上易于回收，卻減少了與物質(zhì)的接觸面積，降低了催化效率。 作品的科學(xué)性先進性： (1)利用溶膠—凝膠法、自組裝等先進技術(shù)制備出三維有序多孔二氧化鈦微球——微米可見，有效解決了回收難的問題；表面納米多孔，似“蜂窩狀”，增加了比表面積，提高了單位光催化效率； (2)選用微波煅燒法等先進技術(shù)對二氧化鈦微球進行功能化即硫元素摻雜與釔元素摻雜——擴大光響應(yīng)范圍，在太陽光能下即可催化。 該作品兼容了傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢，又摒棄了傳統(tǒng)技術(shù)劣勢。光催化實驗證明，該作品在太陽光下可催化，易于回收，催化性能明顯比商品級二氧化鈦粉體優(yōu)異，能夠有效處理污水。 （詳見說明書。）
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年5月，鄂州市城市污水處理有限責(zé)任公司進行產(chǎn)品鑒定，鑒定結(jié)果：產(chǎn)品性能優(yōu)異，建議規(guī)模生產(chǎn)及市場推廣。 2010年12月，校第十屆“求實杯”一等獎。 2009年5月，校第四屆“研究生創(chuàng)新學(xué)術(shù)論壇”一等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 獨家許可、獨占許可、普通許可或技術(shù)入股
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、樣品，模型，圖片。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- (1)使用說明和適應(yīng)范圍：使用方便，操作簡單。將元素摻雜三維有序多孔二氧化鈦微球超強光催化有機污水處理材料，置于500目左右孔徑的箱盒中，放入需處理的污水環(huán)境下，在太陽照射下即可對污水處理。 (2)技術(shù)特點和優(yōu)勢： a.該作品利用運用溶膠—凝膠法、自組裝等先進技術(shù)制備出三維有序多孔二氧化鈦微球——宏觀微米可控(50μm～150μm)，有效解決了回收難的問題；微觀表面由相互連通的六邊形孔洞規(guī)則排列，其孔徑分布在200nm～250nm，若似“蜂窩狀”，增加了比表面積，提高了單位光催化效率； b.該作品選用微波煅燒法等先進技術(shù)二氧化鈦微球進行功能化即硫元素摻雜與釔元素摻雜——擴大光響應(yīng)范圍，在太陽光能下即可催化。 (3)通過光催化實驗，該作品在太陽光下可催化，易于回收，催化性能明顯比商品級二氧化鈦粉體優(yōu)異，能夠有效地處理污水。市場調(diào)查表明，污水處理迫在眉睫，需求極大，故該作品應(yīng)用前景廣闊，可以規(guī)模生產(chǎn)與市場推廣。
同類課題研究水平概述
- 1 二氧化鈦光催化簡介 二氧化鈦(TiO2)來源豐富、成本低廉、環(huán)境友好，對空氣和水中的污染物，具有較高光催化活性，自1972年，F(xiàn)ujishima等首次報道以來，一直是光催化反應(yīng)和環(huán)保領(lǐng)域的研究熱點。但由于二氧化鈦光響應(yīng)范圍在紫外光區(qū)，而紫外光占太陽光總含量極少，因此二氧化鈦對太陽能利用率較低。目前，光催化反應(yīng)采用人工光源，如紫外燈等，耗費大量能量，限制了二氧化鈦光催化技術(shù)的應(yīng)用。 2 元素摻雜改性 二氧化鈦元素摻雜在二氧化鈦的帶隙能級中引入新的摻雜能級。金屬摻雜的能級，在靠近其導(dǎo)帶的位置；非金屬摻雜的能級，在靠近其價帶的位置。摻雜能級既可以接受二氧化鈦價帶上的激發(fā)電子，也可以吸收光子使電子躍遷到二氧化鈦的導(dǎo)帶上。因此，摻雜后較低能量的光子，也能激發(fā)二氧化鈦，從而擴展二氧化鈦的光響應(yīng)范圍、提高二氧化鈦對太陽光的利用率、改善二氧化鈦的光催化活性和光催化效率。 2.1 金屬離子摻雜 過渡金屬離子的摻入可以在半導(dǎo)體表面引入缺陷位置以引發(fā)催化劑的活性，也可以造成晶格缺陷，形成更多的Ti3+的活性中心而增強光催化劑的反應(yīng)活性。Litter等研究了Fe3+摻雜二氧化鈦，發(fā)現(xiàn)過渡金屬離子摻雜能在二氧化鈦表面引入缺陷。Takeuchi等用高能注入法在二氧化鈦中摻入V、Cr、Mn、Fe、Ni等。金屬摻雜后，其光催化活性提高，對光的響應(yīng)可以紅移到可見光區(qū)。但金屬離子易成為光生載流子的復(fù)合中心，且金屬元素摻雜的二氧化鈦往往熱穩(wěn)定性較差。 2.2 非金屬元素摻雜 Sato等偶然發(fā)現(xiàn)N元素的引入能使二氧化鈦在可見光下具有光催化活性。Umebayashi等采用氧化加熱法制備了S雜二氧化鈦粉末。Yu等利用四異丙醇鈦在氟化銨水溶液中水解制備了具有高催化活性的F摻雜納米二氧化鈦。 2.3 稀土元素摻雜 張俊卿等利用二氧化鈦前驅(qū)體鈦酸四丁酯為原料，采用溶膠-凝膠法成功制備出Pr、Sn、Fe等元素摻雜的納米二氧化鈦。 以上對二氧化鈦摻雜改性主要集中在納米粉體及納米膜等材料中，但是二氧化鈦納米粉體如P25，有很高的比表面積，可難于回收；納米薄膜涂在載體上易于回收，卻減少了與物質(zhì)的接觸面積。相比較而言，元素摻雜有序多孔二氧化鈦微球無需涂附載體，并且易于回收從而多次利用，因此在光催化污水領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢。
