一种核壳结构的光催化剂及其制备方法与应用

本发明涉及光催化剂，尤其涉及一种核壳结构的光催化剂及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着建筑技术的飞速进步与居住环境的持续优化，人们越来越重视室内的空气质量。然而，现代建筑在追求美观与功能性的同时，不可避免地引入了诸多潜在污染源，例如：广泛应用的合成装饰材料所释放的挥发性有机化合物(vocs)，空调系统循环中累积的可吸入颗粒物，以及由电子设备运行与室内人员活动所带来的细菌、病毒等微生物污染。上述污染因素交织混合，严重威胁室内的空气质量，直接影响着居住者的健康。

2、目前，空气净化材料与工艺种类繁多。每种材料或工艺都试图通过其独特的方式解决室内空气质量问题，但一种材料或者工艺往往难以处理复杂的空气污染物，存在功能单一、资源利用效率低下、长期净化效果不稳定等局限性。以传统净化材料为例，活性炭因其强大的吸附能力而备受青睐，但其有限的吸附容量和易饱和的特性，使得在长时间使用后净化效率显著下降，甚至可能因吸附饱和后的不当处理而引发二次污染；tio2作为一种典型的光催化材料，在紫外光照射下能有效分解有机污染物，但其较宽的禁带宽度限制了其对可见光的吸收能力，导致在自然光或室内照明条件下光催化效率大打折扣，难以满足全天候、高效净化的需求。鉴于室内空气污染源的多样性和复杂性，单一的材料显然难以满足日益增长的净化需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种核壳结构的光催化剂及其制备方法与应用，解决单一空气净化材料无法满足净化需求的问题。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种核壳结构的光催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将海泡石进行焙烧；

5、(2)将步骤(1)所得焙烧后的海泡石、表面活性剂、水、铜源与稀土金属源混合，进行水热反应，干燥，得到吸附纳米cuo-稀土金属氧化物的海泡石；

6、(3)将步骤(2)所述吸附纳米cuo-稀土金属氧化物的海泡石、氟硅烷改性介孔tio2分子筛与水混合，进行包覆，得到氟硅烷改性tio2分子筛包覆纳米cuo+稀土金属氧化物-海泡石的核壳材料；

7、(4)在保护气氛下，将步骤(3)所述氟硅烷改性tio2分子筛包覆纳米cuo+稀土金属氧化物-海泡石的核壳材料进行煅烧，得到核壳结构的光催化剂。

8、优选的，在所述制备方法中，步骤(1)所述焙烧的温度为300～400℃，时间为2～5h。

9、优选的，在所述制备方法中，步骤(2)中，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵与聚乙烯吡咯烷酮的混合物，所述铜源为醋酸铜或氯化铜，所述稀土金属源为硝酸铈、硝酸钕或硝酸钇；所述焙烧后的海泡石、所述表面活性剂、所述铜源与所述稀土金属源的质量比为1：0.1～0.4：0.8～1.5：0.4～0.8；所述十六烷基三甲基溴化铵与所述聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1～2：1～2。

10、优选的，在所述制备方法中，步骤(2)所述水热反应的温度为60～100℃，时间为8～24h，ph为9～12。

11、优选的，在所述制备方法中，步骤(3)中，所述吸附纳米cuo-稀土金属氧化物的海泡石与所述氟硅烷改性介孔tio2分子筛的质量比为1：2～4；所述包覆的温度为150～250℃，时间为8～24h。

12、优选的，在所述制备方法中，步骤(3)所述氟硅烷改性介孔tio2分子筛的制备方法包括以下步骤：

13、将介孔tio2分子筛进行碱活化处理；将所得碱活化介孔tio2分子筛、氟硅烷与有机溶剂混合，进行改性，得到氟硅烷改性介孔tio2分子筛。

14、优选的，在所述制备方法中，所述碱活化处理的温度为120～150℃，ph为9～12，时间为2～6h；所述氟硅烷为全氟己基三乙氧基硅烷或全氟辛基三乙氧基硅烷；所述改性的温度为20～40℃，转速为400～800rpm，时间为12～36h。

15、优选的，在所述制备方法中，步骤(4)中，所述煅烧的温度为160～240℃，时间为8～20h。

16、本发明还提供了一种所述制备方法制得的核壳结构的光催化剂。

17、本发明还提供了一种所述核壳结构的光催化剂在空气净化中的应用。

18、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

19、(1)本发明制备的氟硅烷改性tio2分子筛包覆纳米cu+稀土金属-海泡石核壳材料，将氟硅烷改性tio2分子筛作为“壳”，不仅为材料提供了广阔的比表面积，增强了光吸收与散射能力，还通过其固有的光催化特性，在可见光照射下有效激发产生电子-空穴对，进而引发一系列氧化还原反应。并且，氟硅烷改性可以显著提高tio2分子筛的疏水性，有利于提升在潮湿环境中的稳定性，保持光催化剂良好的催化性能。

20、(2)本发明制备的核壳材料以纳米cu+稀土金属-海泡石作为“核”，在制备纳米cuo与稀土金属氧化物时添加表面活性剂，有利于纳米cuo与稀土金属氧化物在海泡石表面的均匀分布，进而在纳米cuo与稀土金属氧化物经煅烧还原后，以纳米cu+稀土金属作为活性中心，其均匀分布促进了光生载流子的分离与传输，并且cu与稀土金属能够产生协同作用，进一步增强了光催化活性。

21、(3)本发明制备的核壳材料以海泡石作为纳米cu+稀土金属的基底材料，不仅提供了良好的机械支撑与稳定性，还通过其独特的孔道结构，焙烧工艺可进一步增加海泡石的活性位点，有利于纳米cuo与稀土金属氧化物的成功附着，进而将纳米cuo与稀土金属氧化物煅烧还原后提高对挥发性有机化合物气体分子的吸附与扩散，加速了催化反应进程。

22、(4)本发明制备的核壳材料无需采用外部电源或其他能源输入进行协同催化，完全依赖于自然光或室内照明的光催化作用，实现了真正的节能环保，展现出卓越的净化效率与长效稳定性。

23、(5)本发明制备的核壳材料能够对大肠杆菌、枯草杆菌、金黄葡萄球菌等常见微生物实现高效杀灭，为室内环境的全面净化与保护提供了有力支持。

技术特征：

1.一种核壳结构的光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述焙烧的温度为300～400℃，时间为2～5h。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵与聚乙烯吡咯烷酮的混合物，所述铜源为醋酸铜或氯化铜，所述稀土金属源为硝酸铈、硝酸钕或硝酸钇；所述焙烧后的海泡石、所述表面活性剂、所述铜源与所述稀土金属源的质量比为1：0.1～0.4：0.8～1.5：0.4～0.8；所述十六烷基三甲基溴化铵与所述聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1～2：1～2。

4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述水热反应的温度为60～100℃，时间为8～24h，ph为9～12。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述吸附纳米cuo-稀土金属氧化物的海泡石与所述氟硅烷改性介孔tio2分子筛的质量比为1：2～4；所述包覆的温度为150～250℃，时间为8～24h。

6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述氟硅烷改性介孔tio2分子筛的制备方法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述碱活化处理的温度为120～150℃，ph为9～12，时间为2～6h；所述氟硅烷为全氟己基三乙氧基硅烷或全氟辛基三乙氧基硅烷；所述改性的温度为20～40℃，转速为400～800rpm，时间为12～36h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述煅烧的温度为160～240℃，时间为8～20h。

9.权利要求1～8任一项所述的制备方法制得的核壳结构的光催化剂。

10.权利要求9所述的核壳结构的光催化剂在空气净化中的应用。

技术总结本发明属于光催化剂技术领域，公开了一种核壳结构的光催化剂及其制备方法与应用。本发明所述核壳结构的光催化剂以氟硅烷改性TiO2分子筛作为“壳”，以纳米Cu+稀土金属作为活性中心，以海泡石作为纳米Cu+稀土金属的基底材料，在自然光或室内照明下对挥发性有机化合物展现出卓越的净化效率；同时，所述核壳材料能够对大肠杆菌、枯草杆菌、金黄葡萄球菌等常见微生物实现高效杀灭，为室内环境的全面净化与保护提供了有力支持。技术研发人员：谢建平,冯宁宁,武海艳受保护的技术使用者：中南大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18