本發(fā)明屬于廢氣治理，具體涉及一種光催化材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、揮發(fā)性有機(jī)化合物(vocs)是大氣中主要的污染物之一，具有來源廣泛、易揮發(fā)、易擴(kuò)散等特點。目前，用于含vocs氣體的處理控制技術(shù)有破壞法和回收法兩大類，破壞法包括催化氧化、生物降解和光催化等，回收法包括吸附、吸收、冷凝和膜處理技術(shù)等。盡管這些方法各有優(yōu)勢，但大多都能耗高、操作條件嚴(yán)苛，或者會產(chǎn)生大量廢物，需要進(jìn)一步處理。而光催化氧化作為一種溫和清潔的高級氧化技術(shù)，可以利用太陽能將vocs降解成co2，具有處理效率高、運行費用低等優(yōu)點，適用于大多數(shù)vocs的去除。然而在高濕度vocs氣體的處理過程中，往往會因為水氣占據(jù)了多數(shù)的吸附位點而使目標(biāo)污染物的催化效率降低，尤其是在相對濕度高于50％時長期運行衰減更為嚴(yán)重。因此，對于高濕度vocs氣體的處理來說，適宜的光催化材料是解決該技術(shù)問題的關(guān)鍵。

2、cn110180520a公開了一種可回收的介孔碳@tio2/碳纖維(cfs)光催化材料的制備方法，包括如下步驟：(1)將乙二醇溶于丙酮，得溶液a；(2)將介孔碳球加入溶液a中，超聲分散均勻得懸浮液b；(3)向懸浮液b中加入鈦酸四丁酯，超聲分散均勻后得懸浮液c；(4)懸浮液c轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜，并將碳纖維浸入懸浮液c，反應(yīng)物在磁力攪拌下發(fā)生溶劑熱反應(yīng)生成溶劑熱產(chǎn)物d；(5)將溶劑熱產(chǎn)物d經(jīng)超聲洗滌和烘干得介孔碳@tio2/碳纖維光催化材料。該發(fā)明通過溶劑熱反應(yīng)制備光催化材料，解決了粉末光催化劑在實際使用過程中分離和回收的難題。但該方法制備的光催化材料，未考慮高濕度環(huán)境對應(yīng)用效果的影響，由于水氣會占據(jù)催化劑表面多數(shù)的吸附位點，長期使用效果會出現(xiàn)衰減。

3、文獻(xiàn)“真空活化法制備tio2可見光催化劑及其長效性研究”(吳三定等，浙江理工大學(xué)學(xué)報，第35卷第6期，2016年11月)以商業(yè)tio2(degussa?p25)作為原料，采用簡單的一步真空活化法制備了ti3+自摻雜tio2可見光催化劑。并以甲基橙模擬目標(biāo)污染物，在可見光下對其催化性能以及長效性進(jìn)行研究。結(jié)果表明：在可見光照射下，真空活化后的p25降解甲基橙的效率明顯優(yōu)于純p25。循環(huán)測試結(jié)果表明：由于ti3+較活躍，容易被氧化。該催化劑是針對降解污染物甲基橙的催化劑，且需要通過真空活化法反復(fù)對催化劑進(jìn)行再生，能耗相對較高。

4、文獻(xiàn)“氧空位tio2高效光催化氧化甲醛及其反應(yīng)路徑”(李宇涵等，科學(xué)通訊，2022年，第65卷第8期：718-728)通過采用一步煅燒法制備得到含大量表面氧空位的二氧化鈦(tio2)，將其應(yīng)用于典型空氣污染物甲醛的治理。結(jié)果表明，在流動體系的測試環(huán)境中，甲醛的最大有效去除率可達(dá)95.05％，相比于本底樣品(72.52％)提高了1.31倍。研究表明，含氧空位的tio2不僅可以增強光吸收范圍，還可以利用氧空位捕獲光生電子，有效地抑制光生電子和空穴的復(fù)合，進(jìn)而提高光催化活性。通過原位紅外光譜對催化劑降解甲醛的反應(yīng)過程進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測，結(jié)合密度泛函理論(dft)計算，表明tio2表面的氧空位可以有效地增強甲醛分子的吸附活化，存在的大量離域電子可以注入到甲醛分子中的c＝o鍵并使其活化斷裂，從而有效地減少甲醛氧化過程中甲酸的積累，加快甲醛的高效氧化去除。但是，該方法未考慮材料在高濕度環(huán)境下使用效果會衰減的問題，特別是長期使用穩(wěn)定性有待提升。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種光催化材料及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明制備的光催化材料具有穩(wěn)定的催化界面，在用于高濕度vocs氣體處理時能保持良好的催化效果和長期使用穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明提供的一種光催化材料的制備方法，包括以下步驟：

3、(1)將鈦鹽溶液和沉淀劑在攪拌下混合至ph為2-3，再進(jìn)行超聲處理，經(jīng)干燥、真空煅燒得到tio2納米粒子；

4、(2)將tio2納米粒子分散至無水乙醇中制得混合物，將活性碳纖維(acfs)置于硅烷試劑中處理，再浸漬于混合物中處理，取出后經(jīng)干燥、煅燒，得到光催化材料。

5、本發(fā)明中，步驟(1)所述的鈦鹽為ticl4、tioso4和tiso4等中的至少一種，鈦鹽溶液的濃度為0.1-1.0mol/l。優(yōu)選地，鈦鹽溶液進(jìn)行過濾處理，過濾采用微濾膜過濾，濾孔直徑為0.10μm-0.20μm。

6、本發(fā)明中，步驟(1)所述的沉淀劑采用尿素溶液、nh4oh溶液等中至少一種，溶液濃度為0.01-0.05mol/l。

7、本發(fā)明中，步驟(1)所述的攪拌可以采用常規(guī)使用的各種攪拌方式以使二者混勻，優(yōu)選磁力攪拌，攪拌時間為12-36h。

8、本發(fā)明中，步驟(1)所述的超聲處理的功率為200-600w，優(yōu)選為300-400w，處理時間為10-100min，優(yōu)選為20-60min。

9、本發(fā)明中，步驟(1)所述的干燥溫度為80-200℃，干燥時間為4-12h。

10、本發(fā)明中，步驟(1)所述的真空煅燒溫度為300-600℃，真空度為0.135-0.0135pa，煅燒時間為2-4h。進(jìn)一步的，優(yōu)選升溫速度為1-4℃/min。

11、本發(fā)明中，步驟(2)所述的tio2納米粒子與無水乙醇的質(zhì)量體積比為1mg:(0.5-1)ml。

12、本發(fā)明中，步驟(2)所述的活性碳纖維為聚丙烯基碳纖維、黏膠基碳纖維、瀝青基碳纖維等中的至少一種，優(yōu)選為瀝青基碳纖維。

13、本發(fā)明中，步驟(2)所述的硅烷為正辛基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、三氟辛基三甲氧基、三氯十八烷基硅烷等中的至少一種，優(yōu)選為十七氟癸基三甲氧基硅烷。硅烷試劑的濃度為0.1-2.0mol/l，優(yōu)選為0.25-1.0mol/l。硅烷試劑的制法具體可以為：將乙二胺鹽酸鹽溶解在tris-hcl溶液中制得3-5g/l的緩沖液，然后將硅烷溶解于緩沖液中，配制成濃度為0.1-2.0mol/l的硅烷試劑。

14、本發(fā)明中，步驟(2)將活性碳纖維(acfs)置于硅烷試劑中在攪拌條件下進(jìn)行處理，攪拌時間為6-30h。

15、本發(fā)明中，步驟(2)所述浸漬于混合物中處理，浸漬時間為2-16h，優(yōu)選為4-10h。

16、本發(fā)明中，步驟(2)取出后進(jìn)行干燥，干燥溫度為60-100℃，干燥時間為3-10h。

17、本發(fā)明中，步驟(2)所述的煅燒溫度為300-850℃，優(yōu)選為500-800℃；煅燒時間為4-20h，優(yōu)選為8-18h。所述的煅燒在惰性氣氛中進(jìn)行，載氣為n2、ar、he等中的任意一種。

18、本發(fā)明所述的光催化材料是采用上述本發(fā)明方法制備的。所制備的光催化材料是將含氧空位的tio2納米粒子固載至硅烷試劑處理后的活性碳纖維基底上，具有穩(wěn)定的催化界面。

19、本發(fā)明還提供了上述光催化材料的應(yīng)用，用于高濕度vocs氣體的光催化處理，具有良好的催化效果和長期使用穩(wěn)定性。

20、本發(fā)明應(yīng)用中，所述的高濕度是指在常溫常壓下vocs氣體的濕度不低于50％，優(yōu)選為60％-80％。

21、本發(fā)明應(yīng)用中，所述的vocs是指常壓下沸點小于或等于250℃和25℃下蒸氣壓超過0.5kpa的有機(jī)物，優(yōu)選為甲苯、丙酮等中的至少一種。

22、本發(fā)明應(yīng)用中，所述的光催化條件為：光源的波長為420-750nm，功率為400-600w。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

24、(1)本技術(shù)發(fā)明人在研究中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的光催化材料在用于高濕度vocs氣體處理時效果不佳，尤其是有些材料雖能在初次使用時保持良好效果，但經(jīng)長期使用效果會出現(xiàn)明顯衰減。為此，本技術(shù)發(fā)明人將含氧空位的tio2納米粒子固載至硅烷試劑處理后的acfs上制得用于高濕度含vocs氣體處理的光催化材料，不僅能有效避免高濕度對光催化材料的不利影響，特別是催化效果保持較好，長期使用穩(wěn)定性好。

25、(2)tio2納米粒子和活性碳纖維通過c-ti鍵結(jié)合，tio2中的ti+4在活性碳纖維被還原成ti+2，不僅使光催化材料的響應(yīng)波長范圍變大，增強了材料的可見光感應(yīng)效果和界面電荷轉(zhuǎn)移，提高了vocs催化效果；特別是能提高催化劑在高濕度環(huán)境下長期使用的穩(wěn)定性。