本發(fā)明屬于光催化材料，具體而言，涉及一種泡沫陶瓷基催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、泡沫陶瓷基催化劑是一種結(jié)合了泡沫陶瓷材料的多孔結(jié)構(gòu)與催化活性的先進(jìn)復(fù)合材料。泡沫陶瓷以其高孔隙率、良好的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性而著稱(chēng)，當(dāng)這些特性與特定的催化活性物質(zhì)相結(jié)合時(shí)，便形成了泡沫陶瓷基催化劑。這類(lèi)催化劑在催化反應(yīng)中表現(xiàn)出高效、穩(wěn)定、易回收等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、能源轉(zhuǎn)換、化學(xué)工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。

2、泡沫陶瓷基催化劑的孔隙率提高具有提高催化效率、增強(qiáng)傳質(zhì)性能和增加活性位數(shù)量的優(yōu)勢(shì)。然而，孔隙率提高的提高意味著壓縮強(qiáng)度的降低。壓縮強(qiáng)度的降低將會(huì)導(dǎo)致在使用過(guò)程中易破碎或變形，從而導(dǎo)致其催化性能的快速降低。中國(guó)專(zhuān)利cn118079895a公開(kāi)了一種釩酸鉍/氧化鋁泡沫陶瓷復(fù)合光催化材料的制備方法，直接在泡沫陶瓷材料的表面直接負(fù)載催化材料，然而現(xiàn)有的商品級(jí)別的泡沫陶瓷材料的孔隙度和壓縮強(qiáng)度均比較低。中國(guó)專(zhuān)利cn?109382085?a公開(kāi)了一種稀土礦泡沫陶瓷催化劑及其制備方法和應(yīng)用，采用陶瓷漿料和聚氨酯泡沫模板制備泡沫陶瓷，然而陶瓷漿料的掛枝效率低，導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度較低，不利于泡沫陶瓷催化劑的長(zhǎng)期使用。因此，基于以上描述，亟需研制出一種泡沫陶瓷基催化劑，能夠同時(shí)增加催化劑的孔隙度以及提高催化劑的壓縮強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中上述的不足，本發(fā)明的目的在于如何同時(shí)提高泡沫陶瓷基催化劑的孔隙度和壓縮強(qiáng)度。

2、本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):

3、一種泡沫陶瓷基催化劑的制備方法，包括如下步驟：:

4、s1、將有機(jī)泡沫模板依次進(jìn)行表面堿處理、表面活性劑改性及表面接枝改性，得到改性泡沫模板；

5、s2、制備多種不同固含量的陶瓷漿料，陶瓷漿料的組分包括粘結(jié)劑、流變劑、分散劑、增塑劑、氧化鋯穩(wěn)定劑、氧化鋯、二氧化錳、二氧化鈦、二氧化硅及溶劑；

6、s3、按固含量從高到低的掛漿順序，依次將具有梯度不同固含量的所述陶瓷漿料分別涂掛在所述改性泡沫模板的表面，并干燥，后燒結(jié)，得到泡沫陶瓷基催化劑。

7、本發(fā)明為了提高氧化鋯陶瓷的高溫穩(wěn)定性，減少相變帶來(lái)的體積效應(yīng)，在氧化鋯陶瓷中添加穩(wěn)定劑，穩(wěn)定劑能夠降低氧化鋯的晶格參數(shù)，減少晶格變形和晶格裂紋的產(chǎn)生，從而提高氧化鋯的穩(wěn)定性和耐久性。通過(guò)在陶瓷漿料中加入二氧化錳，可以作為助燒劑和催化劑活性組分的前驅(qū)體，促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程并提高催化劑的活性，并同時(shí)降低了燒結(jié)溫度，節(jié)省能源。通過(guò)在二氧化鈦前驅(qū)體中加入晶型轉(zhuǎn)換控制劑二氧化硅，解決了納米二氧化鈦在高溫下晶型轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，使其經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)后其晶型仍為銳鈦礦型或銳鈦礦與金紅石復(fù)合晶型，保持了較高的光催化性能。

8、本發(fā)明通過(guò)在陶瓷漿料中同時(shí)加入氧化鋯和二氧化鈦，兩者協(xié)同作用，從而提高光催化性能。將鋯離子(zr4+)摻雜到二氧化鈦晶格中，可以形成zr-o-ti鍵，這種鍵的形成有助于改變二氧化鈦的能帶結(jié)構(gòu)，使其具有更強(qiáng)的可見(jiàn)光吸收能力。同時(shí)，摻雜還可以抑制光生電子和空穴的復(fù)合，提高量子效率。此外，氧化鋯和二氧化鈦分別作為電子受體和空穴受體，形成了有效的電荷分離和傳輸通道。這種結(jié)構(gòu)不僅提高了光生載流子的分離效率，還延長(zhǎng)了載流子的壽命，從而增強(qiáng)了光催化活性。

9、本發(fā)明首先使用高固含量的漿料進(jìn)行掛漿，能夠在泡沫模板表面迅速形成一層較厚的涂層，初步固定泡沫模板的骨架結(jié)構(gòu)。這層涂層在后續(xù)的干燥和燒結(jié)過(guò)程中能夠保持較好的穩(wěn)定性，為后續(xù)的掛漿操作提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。接著使用中固含量的漿料進(jìn)行掛漿。這層漿料能夠滲入前一層涂層的微小孔隙中，進(jìn)一步優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑分布。同時(shí)，由于中固含量漿料具有一定的流動(dòng)性，能夠確保涂層在泡沫模板表面的均勻分布。最后使用低固含量的漿料進(jìn)行掛漿。這層漿料中的陶瓷顆粒較少，水分蒸發(fā)后形成的氣泡較多，能夠顯著增加泡沫陶瓷基催化劑的孔隙度。同時(shí)，由于低固含量漿料的流動(dòng)性較好，能夠進(jìn)一步滲入前兩層涂層的孔隙中，形成更加復(fù)雜的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于提高催化劑的活性組分在孔隙中的分布和催化反應(yīng)的進(jìn)行。

10、進(jìn)一步的，所述表面接枝改性包括：

11、將表面活性劑改性后的所述有機(jī)泡沫模板浸泡于聚丙烯酰胺溶液中，后加入過(guò)硫酸銨，并進(jìn)行水浴加熱；其中，,

12、所述聚丙烯酰胺的質(zhì)量濃度為5～15％；

13、所述過(guò)硫酸銨的質(zhì)量濃度為0.5～1.5％；

14、所述水浴加熱的溫度為40～60℃，所述水浴加熱的時(shí)間為2～6h。

15、進(jìn)一步的，所述表面活性劑改性包括：

16、將表面堿處理后的所述有機(jī)泡沫模板浸泡于表面活性劑中；其中，

17、所述浸泡的溫度為40～60℃，所述浸泡的時(shí)間為1～3h；

18、所述表面活性劑的質(zhì)量濃度為5～15％；

19、所述表面活性劑包括：聚乙烯亞胺、羧甲基纖維素鈉、聚乙二醇及十二烷基硫酸鈉中的一種或多種。

20、進(jìn)一步的，所述表面堿處理包括：

21、將有機(jī)泡沫模板浸泡于氫氧化鈉溶液中；其中，

22、所述氫氧化鈉的質(zhì)量濃度為5～15％；

23、所述浸泡的溫度為40～60℃，所述浸泡的時(shí)間為4～6h。

24、進(jìn)一步的，所述粘結(jié)劑的質(zhì)量m1、所述流變劑的質(zhì)量m2、所述分散劑的質(zhì)量m3、所述增塑劑的質(zhì)量m4、所述氧化鋯穩(wěn)定劑的質(zhì)量m5、所述氧化鋯的質(zhì)量m6、所述二氧化錳的質(zhì)量m7、所述二氧化鈦的質(zhì)量m8及所述二氧化硅的質(zhì)量m9滿足如下關(guān)系式：

25、m1:m2:m3:m4:m5:m6:m7:m8:m9＝(0.5～1.5):(2～4):(0.5～1.5):(0.5～1.5):(2～4):(20～40):(2～4):(5～15):(1～3)。

26、進(jìn)一步的，所述粘結(jié)劑包括：聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉、聚乙烯亞胺、硅溶膠、磷酸鋁鹽及硼酸鹽中的一種或多種；

27、所述流變劑包括：羧甲基纖維素、羥己基纖維素、膨潤(rùn)土及高嶺土中的一種或多種；

28、所述分散劑包括：多偏磷酸鈉、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇及聚乙烯醚中的一種或多種；

29、所述增塑劑包括：聚乙烯醇、聚乙烯醚、羥乙基甲基纖維素、鄰苯二甲二辛酯及聚乙烯醇中的一種或多種；

30、所述氧化鋯穩(wěn)定劑包括氧化鈣、氧化鋁及氧化鎂中的一種或多種。

31、進(jìn)一步的，所述具有梯度固含量的陶瓷漿料的個(gè)數(shù)≥3個(gè)，包括：陶瓷漿料固含量為75～85％、陶瓷漿料固含量為70～80％、陶瓷漿料固含量為65～75％、陶瓷漿料固含量為60～70％。

32、進(jìn)一步的，所述燒結(jié)的溫度為1100～1300℃，所述燒結(jié)的時(shí)間為90～180min。

33、本發(fā)明的第二目的在于提供一種由上述任意一項(xiàng)實(shí)施例所述的泡沫陶瓷基催化劑的制備方法得到的泡沫陶瓷基催化劑，所述泡沫陶瓷基催化劑滿足如下至少一種性能:孔隙率為70～85％，壓縮強(qiáng)度為9～12mpa。

34、本發(fā)明的第三目的在于提供一種上述實(shí)施例所述的泡沫陶瓷基催化劑的應(yīng)用，所述泡沫陶瓷基催化劑用于光催化降解揮發(fā)性有機(jī)物。

35、本發(fā)明的有益效果為:

36、(1)通過(guò)堿處理有機(jī)泡沫模板的表面使其變得粗糙不平，增加與表面活性劑的接觸面積從而增加其掛載量。通過(guò)表面活性劑改性在有機(jī)泡沫模板表面涂覆了一層明顯的有機(jī)物，且有機(jī)物的不均勻涂覆增大了有機(jī)泡沫模板表面粗糙度，這使得聚氨酯海綿的接觸面積與親水性都大大提高。通過(guò)表面接枝改性直接在海綿上引入羧基等親水基團(tuán)，有效改善親水性。通過(guò)表面堿處理、表面活性劑改性及表面接枝改性三者的協(xié)同作用，有助于水基陶瓷漿料完全充分潤(rùn)濕聚氨酯，以提高坯體掛漿量和泡沫陶瓷的力學(xué)性能。

37、(2)粘結(jié)劑在有機(jī)泡沫浸漬法陶瓷漿料中的作用是提高漿料的粘結(jié)能力，使?jié){料可以在泡沫海綿骨架上牢固地粘附，提高坯體在干燥后的強(qiáng)度，并且防止坯體燒結(jié)時(shí)由于失去泡沫骨架而塌陷，以保證最終燒結(jié)得到的泡沫陶瓷具有完整的形態(tài)與足夠的機(jī)械強(qiáng)度。有機(jī)泡沫浸漬法要求陶瓷漿料具有優(yōu)良的流動(dòng)性以利于掛漿，還具有一定的觸變性保證掛漿后的穩(wěn)定，即要求漿料在不受外力作用時(shí)為凝固狀態(tài)，在受到外力作用時(shí)又恢復(fù)到流體狀態(tài)，具備流動(dòng)的特性。漿料的流動(dòng)性可以使其進(jìn)入泡沫海綿內(nèi)部均勻地掛載在海綿骨架上，并在外力的作用下擠出多余的漿料，而靜止時(shí)的凝固狀態(tài)可以使?jié){料牢固且均勻地掛載在骨架上。分散劑可以使配制的陶瓷漿料中的固體顆粒分散均勻，保持漿料的穩(wěn)定。添加分散劑可以有效降低漿料中陶瓷固體顆粒的再團(tuán)聚，從而可以提高漿料的固含量。漿料中的增塑劑通常是指溶解在漿料中的化學(xué)物質(zhì)，主要用于調(diào)節(jié)漿料的流動(dòng)性和成型性。

38、(3)固含量從高到低的掛漿順序能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)泡沫陶瓷基催化劑孔隙度和壓縮強(qiáng)度的同時(shí)提升。通過(guò)控制不同固含量漿料的掛漿順序和涂層厚度，可以制備出具有優(yōu)異性能的泡沫陶瓷基催化劑。