專利名稱：制備包括SnO₂和TiO₂層的光催化表面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備催化劑，特別是用于光催化工藝的催化劑的方法。
背景技術(shù)：
光催化活性是許多大帶隙的半導(dǎo)體化合物展示的性質(zhì)，并且定義為在暴露于紫外線輻射下，材料從價帶向?qū)мD(zhuǎn)移電子的能力。其結(jié)果是形成電子空穴對。由于導(dǎo)帶中的電子顯示出中度還原電位，并且價帶中的空穴顯示出高氧化電位，容易引發(fā)光催化反應(yīng)。 這意味著，分別利用通過空穴的氫氧化物的氧化或者溶液中溶解氧的還原，可以在表面生成諸如羥基自由基或超氧化物自由基的活性氧物種。得到的自由基是非常有效的有機物氧化劑，由此在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中與有機物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生新的自由基物種。一種最常用的大帶隙半導(dǎo)體材料是二氧化鈦。與其它常用光催化半導(dǎo)體相比， TiO2在幾個方面接近理想的光催化劑，如惰性、耐腐蝕性、低廉性、化學(xué)穩(wěn)定性、光生空穴具有高氧化性，并且可視為是無毒的。但是TiA也有一些缺點，如在UV線下光反應(yīng)比在可見光下操作更有效，由此操作成本增加，納米顆粒形態(tài)對處理有挑戰(zhàn)性，以及回收再利用困難，并且表面結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的控制不容易實現(xiàn)。TiO2工藝的整體量子效率通常低于5%，因此，大量的研究工作一直致力于提高工藝效率。除了初始基底濃度，其它幾個物理參數(shù)使得光催化效率的優(yōu)化變得復(fù)雜。這包括其它有效表面積、輻射源和發(fā)射波長、溫度、輻射通量和量子產(chǎn)率。已經(jīng)開發(fā)了各種方法來增強光催化活性(PCA)。它們包括在TW2表面上的貴金屬吸附，增加TiO2的表面積以及半導(dǎo)體合金的制備。然而，一種最有前途的方法包括使用耦合半導(dǎo)體粒子。通過減少光催化系統(tǒng)中電荷重組可增加PCA。一種最成功的耦合半導(dǎo)體系統(tǒng)是雙組分耦合Sn02/TiA系統(tǒng)。兩者都是大帶隙的半導(dǎo)體，但是SnA的導(dǎo)帶能量比TW2的低。該方法以在SnO2導(dǎo)帶中積聚光生電子為基礎(chǔ)。由于空穴向相反方向移動而被TiO2捕捉。因此，電荷分離增加，重組率降低。耦合SnO2ZtW2系統(tǒng)中PCA的改進(jìn)是與單獨的TW2薄膜表現(xiàn)出的相比，直接影響更多的吸附位的存在。光學(xué)帶隙隨著錫含量和較大波長的吸收而減少，將有利于更多電子空穴對的產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是制備催化表面，與本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)相比，其展示改進(jìn)的性質(zhì)。該目標(biāo)由根據(jù)獨立權(quán)利要求的方法獲得。本發(fā)明優(yōu)選的實施方案形成從屬權(quán)利要求的主題。根據(jù)本發(fā)明的主要方面，其特征在于制備光催化表面的方法，包括在載體上制備多個TW2和SnA的層的步驟，其中SnO2層由強堿性溶液制成。供替代的選擇根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述強堿性溶液具有14的PH值。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，TiO2層通過用Ti [OCH (CH3) 2] 4溶液涂覆制成。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，SnO2層通過用Sn2+溶液涂覆制成。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，進(jìn)一步包括在各涂覆之后將所述載體放入加熱的烘箱的步驟。所述烘箱內(nèi)的溫度優(yōu)選在450-600°C范圍內(nèi)，并且最優(yōu)選所述烘箱內(nèi)的溫度為 500 "C。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，對于每一涂層將載體放入加熱的烘箱內(nèi)約一小時。優(yōu)選最外層為由TW2制成的。本發(fā)明具有許多優(yōu)點。由于催化劑是由多層TW2和SnA形成的，與僅包含TW2的催化劑相比，具有較高的光催化活性。由于用于制備Sr^2層的溶液的強pH值，獲得了良好的粘附性，否則這是一個問題。優(yōu)選使用Sn2+溶液，其不像有機錫溶液那么昂貴和/或那么有毒性。在制備各層后，優(yōu)選在每一層后，將載體放入450-600°C溫度范圍的烘箱內(nèi)。對于二氧化鈦，選擇溫度范圍使得生成結(jié)晶多晶型銳鈦礦，其比結(jié)晶多晶型金紅石具有更高的光催化活性。優(yōu)選將載體保持在烘箱內(nèi)大約一小時，以確保完全形成各層。最外層優(yōu)選TiO2,因為似乎SnA層不如TiA層穩(wěn)定，并且最外部的TiA層保護(hù)內(nèi)部的SnA層。本發(fā)明的這些和其它方面以及優(yōu)點將在下面的發(fā)明詳述中變得明顯。
具體實施例方式本發(fā)明包括制備光催化表面以增加催化效果的方法。根據(jù)該方法以某些方式制備諸如板、網(wǎng)以及其它合適表面的載體部件，如將要描述的。載體部件可以是金屬，如鋁、鈦、 不銹鋼、黃銅和其它金屬合金，但應(yīng)當(dāng)理解，其它類型的材料也可以是適合的，如玻璃陶瓷為例，只要其可以承受高溫以及有關(guān)的化學(xué)物質(zhì)，如將在下面描述的。例如在冷水中清洗載體，并且干燥以確保表面盡可能干凈。應(yīng)當(dāng)理解，其它液體也可以用于清洗載體。干燥例如可以在干燥烘箱中進(jìn)行。然后所有載體在500°C的爐內(nèi)預(yù)處理1小時。然后清洗載體，并優(yōu)選在冷水中機械擦洗，并在環(huán)境空氣中，或例如在烘箱中干燥。載體冷卻后，將其在Ti
4的溶液中浸涂。載體以2mm/s的速度取出并在環(huán)境氣氛中干燥約5分鐘。然后，形成凝膠涂膜。將載體放入500°C的爐內(nèi)1小時。選擇溫度使得生成結(jié)晶多晶型的二氧化鈦銳鈦礦。這方面溫度可以在450-600°C范圍內(nèi)以生成銳鈦礦。之后載體在冷水中清洗并進(jìn)行機械擦洗，以便除去所有未附著的二氧化鈦。再一次使載體在500°C的爐內(nèi)干燥，并在再一次浸涂之前冷卻到室溫。除了上述溶液，通過將SnCl2溶解到pH值為14的強堿性溶液中制備Sn2+的溶液。 然后將載體浸入含錫溶液，放入500°C的爐內(nèi)1小時，然后冷卻、清洗并擦洗。這個過程重復(fù)多次以生產(chǎn)多層SnO2和TiO2層，如圖Ia和2所示。通過這種方法獲得了耦合半導(dǎo)體系統(tǒng)。測量這些耦合半導(dǎo)體系統(tǒng)的PCA，并與例如僅含TW2的更傳統(tǒng)的光催化部件相比較，結(jié)果表明耦合半導(dǎo)體系統(tǒng)比僅含TW2的系統(tǒng)更有效。更進(jìn)一步的表明，在測試期間， SnO2層越多，活性越高。這可能是由于發(fā)生在TiA和SnA接觸對之間的電荷分離，因而抑制了重組率。同樣表明，具有TiO2最外層而不是51102是有利的，表明31102表面可能不穩(wěn)定并且SnA可能溶解。還評估了施加層的一個替代方法。其中，載體在涂覆工藝之前清洗。然后將載體在Ti [OCH(CH3)J4中浸涂，并以2mm/s的速度取出。這之后直接將載體放入90°C的烘箱內(nèi) 15分鐘。該過程重復(fù)5次形成5層，在第五次涂覆之后，將帶有各層的載體放入500°C的烘箱內(nèi)一小時。然后將催化劑在冷水中刷洗以除去任何未附著的二氧化鈦。當(dāng)然，利用諸如物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、陽極氧化、濺射熱組成和電弧等離子體噴涂的一些其它方法制備催化劑層也可以落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的范圍，包含烘箱的加熱步驟當(dāng)然可以用其它熱源替換，其它熱源如熱氣槍、紅外線加熱器或加熱線圈或類似的加熱方法及來源。進(jìn)一步應(yīng)理解，上述方法將作為本發(fā)明非限制性的例子，并且可以在本發(fā)明權(quán)利要求范圍內(nèi)以打字方式進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.制備光催化表面的方法，包括以下步驟在載體上制備多個TiA和SnA層，其中 SnO2層由強堿性溶液制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述強堿性溶液具有14的pH值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中1102層通過用Ti[OCH(CH3)J4溶液涂覆制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項的方法，其中SnA層通過用Sn2+溶液涂覆制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求或3的方法，進(jìn)一步包括在各涂覆之后將所述載體放入加熱的烘箱中的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述烘箱內(nèi)的溫度在450-600°C范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述烘箱內(nèi)的溫度為500°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7任一項的方法，其中將載體放入加熱的烘箱內(nèi)約一小時。
9.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求的方法，其中最外層為由T^2制成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備光催化表面的方法，包括在載體上制備多個交替的TiO2和SnO2層的步驟，其中SnO2層由強堿性溶液制成。
文檔編號B01J37/02GK102215964SQ200980144129
公開日2011年10月12日 申請日期2009年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月4日
發(fā)明者D·斯滕曼, V·迪森 申請人:沃倫劉斯水務(wù)股份公司