基本信息
- 项目名称：
- 超强光催化污水处理材料--元素掺杂三维有序多孔二氧化钛微球制备及光催化研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 随着工业化发展，水污染日趋严重。该作品用自组装、溶胶—凝胶法和微波煅烧法等先进技术制备出元素掺杂三维有序多孔二氧化钛微球，其宏观微米可控(50μm～150μm)，有效解决了回收难的问题；微观表面成互通六边形孔洞规则排列(孔径200nm～250nm)，无需载体；元素掺杂量超过1%。光催化实验证明：该作品光催化性能明显优于商品级二氧化钛粉体，可有效地用于污水处理。是故，市场前景广阔。
- 详细介绍：
- 随着全球大规模工业化的突飞猛进，环境污染越来越严重，特别是水资源污染已严重威胁着人类的健康，对社会、自然、生态造成巨大破坏，甚至危及人类自身生存，引起了人们的高度重视。传统污水处理方法主要有：过滤法、沉淀法、气浮法、化学混凝法等，但这些方法去除率低，净化很不彻底，而且对废水具有极大的选择性。 纳米二氧化钛作为一种宽禁带半导体，以其廉价无毒、抗光腐蚀、催化活性高、氧化能力强、稳定性好等优势，在光催化降解有机物和污水处理领域备受人们的关注。但二氧化钛的禁带宽度为3.0～3.2eV，只能在近紫外光区(λ<380nm)发生光催化反应，大大降低了太阳能的利用率，因此通过复合或掺杂其它元素来扩大二氧化钛的光谱响应范围，在可见光甚至是室内光源的激发下产生催化活性一直是国内外研究的热点。而且，对于现有光催化剂：二氧化钛纳米粉体如P25、二氧化钛纳米膜，纳米粉体有很高的比表面积，但是难于回收；纳米薄膜涂在载体上易于回收，却减少了与物质的接触面积；纳米棒虽具有较大的比表面积，但需涂附载体上。相比较而言，有序大球多孔二氧化钛微球无需涂附载体，并且易于回收从而多次利用，因此在光催化污水领域具有更大的优势。 本作品设计、发明主要目的是通过乳液聚合法制备单分散纳米级聚合物微球，然后利用自组装技术，于疏水性的二甲基硅油中制备出微米级的胶体晶体大球；其次以二氧化钛前驱体为原料，采用溶胶-凝胶模板法制备出三维有序多孔二氧化钛大球，最后利用微波辐照结合煅烧技术对三维有序多孔二氧化钛微球进行掺杂改性即硫元素掺杂与钇元素掺杂。 该作品兼容了传统技术优势，又摒弃了传统技术劣势。运用溶胶-凝胶法、自组装等先进技术制备出三维有序大球多孔二氧化钛微球——微米可见，有效解决了回收难的问题；表面纳米多孔，似“蜂窝状”，增加了比表面积，提高了单位光催化效率；该作品选用微波煅烧法等先进技术二氧化钛微球进行功能化即硫元素掺杂与钇元素掺杂——扩大光响应范围，在太阳光能下即可催化。所制备的元素掺杂三维有序多孔二氧化钛微球超强自然光催化污水处理材料，宏观微米可控(50μm～150μm可调控)；微观表面由相互连通的六边形孔洞规则排列(孔径分布在200nm～250nm)；元素掺杂量超过1%(以硫元素掺杂为例，光电子能谱XPS分析掺杂量为1.44%)。光催化实验证明：用重铬酸钾溶液模拟有毒无机污水，硫杂二氧化钛微球紫外光照120min后对重铬酸钾的降解率为95.8%，高于二氧化钛商品级P25(70.5%)；用甲基橙溶液模拟有色有机污水，钇杂二氧化钛微球太阳光照360min后，甲基橙溶液的的降解率47.6%，高于二氧化钛商品级P25的降解率5.1%。即掺杂后的二氧化钛微球光催化性能明显优于商品级二氧化钛粉体，可有效地用于有机污水处理。 市场调查，污水处理迫在眉睫，需求极大，故该作品应用前景广阔，可以规模生产与市场推广。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- (1)设计目的：水污染日益严重。市面上用于实际污水治理的纳米二氧化钛(TiO2)粉体如P25，仍然存在太阳光催化效率低、纳米粉体难以回收等问题。这些问题有待解决。 (2)基本思路：利用高分子乳胶粒模板技术，通过自组装与溶胶-凝胶模板方法，制备结构可控、比表面大的三维有序多孔二氧化钛微球——宏观微米可见、易于分离，有效解决了回收难的问题，表面纳米多孔，似“蜂窝状”，增加了比表面积。利用微波辐照结合煅烧技术对三维有序多孔二氧化钛微球进行掺杂改性即硫元素掺杂与钇元素掺杂——扩大光响应范围，在太阳光下即可催化处理污水，提高光催化活性和效率。 (3)创新点、技术关键：该作品运用了高分子乳胶粒模板技术、溶胶-凝胶法、自组装和微波辐照煅烧等新型关键技术，科技含量高。 (4)主要技术指标：所制备的元素掺杂三维有序多孔二氧化钛微球超强光催化污水处理材料，宏观微米可控(50μm～150μm)；微观表面由相互连通的六边形孔洞规则排列(孔径分布在200nm～250nm)；元素掺杂量超过1%(XPS分析硫掺杂量为1.44%)。光催化实验证明：用重铬酸钾溶液模拟有毒无机污水，硫杂二氧化钛微球紫外光照120min后对重铬酸钾的降解率为95.8%，高于二氧化钛商品级P25(70.5%)；用甲基橙溶液模拟有色有机污水，钇杂二氧化钛微球太阳光照350min后，甲基橙溶液的的降解率47.6%，高于二氧化钛商品级P25的降解率5.1%。
科学性、先进性
- 纳米二氧化钛光催化可利用太阳光、紫外光将污染物分解为无害物质，无二次污染。但是市面上用于实际污水治理的纳米二氧化钛，仍然存在问题： (1)二氧化钛禁带宽度较宽，只能在近紫外光区发生光催化反应，故其对太阳能利用率低，而使用紫外线灯等人工光源，要耗费大量能量； (2)纳米二氧化钛粉体如商品P25，难以回收；纳米二氧化钛薄膜涂在载体上易于回收，却减少了与物质的接触面积，降低了催化效率。 作品的科学性先进性： (1)利用溶胶—凝胶法、自组装等先进技术制备出三维有序多孔二氧化钛微球——微米可见，有效解决了回收难的问题；表面纳米多孔，似“蜂窝状”，增加了比表面积，提高了单位光催化效率； (2)选用微波煅烧法等先进技术对二氧化钛微球进行功能化即硫元素掺杂与钇元素掺杂——扩大光响应范围，在太阳光能下即可催化。 该作品兼容了传统技术优势，又摒弃了传统技术劣势。光催化实验证明，该作品在太阳光下可催化，易于回收，催化性能明显比商品级二氧化钛粉体优异，能够有效处理污水。 （详见说明书。）
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月，鄂州市城市污水处理有限责任公司进行产品鉴定，鉴定结果：产品性能优异，建议规模生产及市场推广。 2010年12月，校第十届“求实杯”一等奖。 2009年5月，校第四届“研究生创新学术论坛”一等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 独家许可、独占许可、普通许可或技术入股
作品可展示的形式
- 实物、产品、样品，模型，图片。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- (1)使用说明和适应范围：使用方便，操作简单。将元素掺杂三维有序多孔二氧化钛微球超强光催化有机污水处理材料，置于500目左右孔径的箱盒中，放入需处理的污水环境下，在太阳照射下即可对污水处理。 (2)技术特点和优势： a.该作品利用运用溶胶—凝胶法、自组装等先进技术制备出三维有序多孔二氧化钛微球——宏观微米可控(50μm～150μm)，有效解决了回收难的问题；微观表面由相互连通的六边形孔洞规则排列，其孔径分布在200nm～250nm，若似“蜂窝状”，增加了比表面积，提高了单位光催化效率； b.该作品选用微波煅烧法等先进技术二氧化钛微球进行功能化即硫元素掺杂与钇元素掺杂——扩大光响应范围，在太阳光能下即可催化。 (3)通过光催化实验，该作品在太阳光下可催化，易于回收，催化性能明显比商品级二氧化钛粉体优异，能够有效地处理污水。市场调查表明，污水处理迫在眉睫，需求极大，故该作品应用前景广阔，可以规模生产与市场推广。
同类课题研究水平概述
- 1 二氧化钛光催化简介 二氧化钛(TiO2)来源丰富、成本低廉、环境友好，对空气和水中的污染物，具有较高光催化活性，自1972年，Fujishima等首次报道以来，一直是光催化反应和环保领域的研究热点。但由于二氧化钛光响应范围在紫外光区，而紫外光占太阳光总含量极少，因此二氧化钛对太阳能利用率较低。目前，光催化反应采用人工光源，如紫外灯等，耗费大量能量，限制了二氧化钛光催化技术的应用。 2 元素掺杂改性 二氧化钛元素掺杂在二氧化钛的带隙能级中引入新的掺杂能级。金属掺杂的能级，在靠近其导带的位置；非金属掺杂的能级，在靠近其价带的位置。掺杂能级既可以接受二氧化钛价带上的激发电子，也可以吸收光子使电子跃迁到二氧化钛的导带上。因此，掺杂后较低能量的光子，也能激发二氧化钛，从而扩展二氧化钛的光响应范围、提高二氧化钛对太阳光的利用率、改善二氧化钛的光催化活性和光催化效率。 2.1 金属离子掺杂 过渡金属离子的掺入可以在半导体表面引入缺陷位置以引发催化剂的活性，也可以造成晶格缺陷，形成更多的Ti3+的活性中心而增强光催化剂的反应活性。Litter等研究了Fe3+掺杂二氧化钛，发现过渡金属离子掺杂能在二氧化钛表面引入缺陷。Takeuchi等用高能注入法在二氧化钛中掺入V、Cr、Mn、Fe、Ni等。金属掺杂后，其光催化活性提高，对光的响应可以红移到可见光区。但金属离子易成为光生载流子的复合中心，且金属元素掺杂的二氧化钛往往热稳定性较差。 2.2 非金属元素掺杂 Sato等偶然发现N元素的引入能使二氧化钛在可见光下具有光催化活性。Umebayashi等采用氧化加热法制备了S杂二氧化钛粉末。Yu等利用四异丙醇钛在氟化铵水溶液中水解制备了具有高催化活性的F掺杂纳米二氧化钛。 2.3 稀土元素掺杂 张俊卿等利用二氧化钛前驱体钛酸四丁酯为原料，采用溶胶-凝胶法成功制备出Pr、Sn、Fe等元素掺杂的纳米二氧化钛。 以上对二氧化钛掺杂改性主要集中在纳米粉体及纳米膜等材料中，但是二氧化钛纳米粉体如P25，有很高的比表面积，可难于回收；纳米薄膜涂在载体上易于回收，却减少了与物质的接触面积。相比较而言，元素掺杂有序多孔二氧化钛微球无需涂附载体，并且易于回收从而多次利用，因此在光催化污水领域具有更大的优势。
