一種超分散光催化劑及其制備方法與應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明的超分散光催化劑包括有以下組分：醇類溶劑90~110份、二氧化鈦2~6份及分散劑10~14份，該超分散光催化劑為半透明溶液，二氧化鈦的一次粒徑為10~50nm，二次粒徑小于100nm，安全無(wú)毒且催化效果顯著。主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）紫外、可見(jiàn)全光譜范圍的光催化響應(yīng)；（2）適用于燃油燃燒催化；（3）顯著減排安全環(huán)保。本發(fā)明的超分散光催化劑制備方法（1）實(shí)現(xiàn)納米二氧化鈦在醇類溶劑中高度分散；（2）獲得具有部分鈦離子自摻雜特征，降低禁帶寬度，實(shí)現(xiàn)紫外、可見(jiàn)全光譜范圍的光催化響應(yīng)；（3）降低成本。本發(fā)明的超分散光催化劑的應(yīng)用不再局限于室內(nèi)環(huán)境污染、殺菌、除臭，可直接應(yīng)用于燃料燃燒催化，特別是汽車內(nèi)燃機(jī)的燃料燃燒催化。
【專利說(shuō)明】
-種超分散光催化劑及其制備方法與應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光催化劑技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種改性二氧化鐵溶液的超分散催化 劑及其制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 將甲醇替代內(nèi)燃機(jī)用部分燃油，成為減少石油消耗的重要途徑。柴油/甲醇二元燃 料體系可將燃料燃燒總效率提高20%W上。甲醇讓柴油機(jī)更節(jié)能減排，成為最有發(fā)展前景的 石油替代燃料之一。然而，在二元燃料燃燒氧化的過(guò)程中，由于壓力溫度的原因，仍有部分 不完全氧化分解的碳氨化合物。如何通過(guò)提高燃料的燃燒效率，促進(jìn)燃燒產(chǎn)物氧化完全成 為研究者關(guān)注的重點(diǎn)。
[0003] 目前，國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)汽油機(jī)和柴油機(jī)內(nèi)催化燃燒進(jìn)行了諸多的研究?，F(xiàn)有技 術(shù)中，應(yīng)用到催化燃燒上的催化劑種類主要有貴金屬催化劑(銷(Pt)、錠(化）、鈕(Pd)等，起 燃溫度低，催化效率高，但耐熱性差、易燒結(jié)，且價(jià)格昂貴，主要用作后處理。過(guò)渡金屬氧化 物催化劑：CuO、Ah〇3、化2〇、Fe2化、Mn3〇4, 一種或幾種滲雜，來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，但催化活 性有待提高，主要用于甲燒催化燃燒。而光觸媒催化劑納米二氧化鐵為主，又稱光催化 劑或光觸媒），將光觸媒催化劑涂布于基材表面，在紫外光線的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈催化降解功 能，催化性能高，但因受溫度和光照的因素影響較大，目前主要用于室內(nèi)環(huán)境污染、殺菌、除 臭，或者將光觸媒涂敷在漸青馬路上降解汽車尾氣，幾乎不會(huì)直接用于燃油的燃燒催化。 [0004]中國(guó)發(fā)明專利文獻(xiàn)（公開(kāi)號(hào)CN 103061925 B)公開(kāi)了一種利用磁和光觸媒及光作 用提高內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒率的方法，通過(guò)磁環(huán)境下的燃料發(fā)生催化氧化反應(yīng)，燃料燃?xì)夥肿?鏈斷裂釋放出氨氧自由基，所含的硫醇、嚷吩等可分解出氨氣，產(chǎn)生大量的自由基和氨氣， 自由基聚合反應(yīng)后，使得自由基聚合的分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由過(guò)去的布朗運(yùn)動(dòng)變成空忍管狀運(yùn) 動(dòng)，可W提高燃速。同時(shí)本發(fā)明位于燃料中的光觸媒體在波長(zhǎng)為175~400皿的光源照射 下，由于吸收了光能而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。運(yùn)些空穴對(duì)(光載流子)會(huì)迅速遷移至表面，并激活 其表面附著的也0與化而產(chǎn)生氨氧基(-OH)和活性氧(-妒-)，W促進(jìn)提高燃速的作用。該方 法通過(guò)磁環(huán)境下的燃料發(fā)生催化氧化反應(yīng)W提高燃速，并且需要額外光源的照射光觸媒催 化劑才能發(fā)揮作用，不能直接將光觸媒催化劑直接應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒催化，若按照該 方法實(shí)施現(xiàn)有的各種燃燒器、鍋爐燃燒系統(tǒng)及汽車內(nèi)燃機(jī)均需要進(jìn)行改造，改造成本非常 高，而且燃燒裝置的結(jié)構(gòu)也變得更加復(fù)雜。然而，傳統(tǒng)的光觸媒均難W醇類溶劑分散，在石 油、柴油及柴油/甲醇二元體系中的分散更難，催化作用難W發(fā)揮。
[0005] 因此，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的存在問(wèn)題，亟需提供一種可直接應(yīng)用于燃油燃燒催化的 光觸媒催化技術(shù)顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處而提供一種用于燃油燃燒的超分 散光催化劑。
[0007]本發(fā)明的目的通過(guò)W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 提供一種超分散光催化劑，包括有W下重量份的組分： 醇類溶劑 90~110份 二氧化鐵 2~6份 分散劑 10~14份 二氧化鐵的一次粒徑為10~50nm，二次粒徑小于lOOnm。
[000引其中，二氧化鐵為自滲雜二氧化鐵。
[0009]優(yōu)選的，一種超分散光催化劑包括有W下重量份的組分 醇類溶劑 100份 二氧化鐵 4份 分散劑 12份。
[0010]優(yōu)選的，分散劑為正娃酸乙醋、丫-琉丙基立甲基硅烷、乙締基立甲氧基硅烷、乙締 基Ξ乙氧基硅烷及丙基Ξ甲氧基硅烷的一種W上。
[OOW 優(yōu)選的，醇類溶劑為甲醇。
[0012] 優(yōu)選的，二氧化鐵的一次粒徑為25~30nm，二次粒徑小于lOOnm。
[0013] 本發(fā)明的另一目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處而提供一種用于燃油燃燒的超分 散光催化劑的制備方法。
[0014] 本發(fā)明的另一目的通過(guò)W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 一種超分散光催化劑制備方法，用于制備上述的超分散光催化劑，其包括有W下步驟， (1) 取1重量份的Ti此粉體置于反應(yīng)器中，加入50~100重量份的水和15~20重量份的雙 氧水，攬拌^6小時(shí)，獲得黃綠色漿料； (2) 往黃綠色漿料加入1~5重量份的納米二氧化鐵粉體，充分?jǐn)埌韬螅?5~6(TC真空干燥 10~14小時(shí)，得到灰白色粉體； (3) 將灰白色粉體真空高溫般燒，得到藍(lán)白色粉體； (4) 將藍(lán)白色粉體加入到分散劑與醇類溶劑的混合液中，攬拌1.5~2.5小時(shí)，超聲波分 散10~20分鐘，得到半透明的二氧化鐵溶液為超分散光催化劑。
[0015] 優(yōu)選的，步驟(3)中，將灰白色粉體放入真空爐中高溫般燒，般燒溫度為400~600 Γ。
[0016] 更優(yōu)選的，一種超分散光催化劑制備方法包括有W下步驟： (1) 取1重量份的Ti肥粉體，加入80重量份的水和17重量份的雙氧水，攬拌3小時(shí)； (2) 加入2重量份的納米二氧化鐵粉體，充分?jǐn)埌韬螅?(TC真空干燥12小時(shí)，得到灰白色 粉體； (3) 將灰白色粉體在真空高溫般燒，得到藍(lán)白色粉體； (4) 分散劑為正娃酸乙醋、丫-琉丙基Ξ甲基硅烷、乙締基Ξ甲氧基硅烷、乙締基Ξ乙氧 基硅烷及丙基Ξ甲氧基硅烷的一種W上，醇類溶劑為甲醇，將藍(lán)白色粉體加入到分散劑與 甲醇的混合液中，攬拌2小時(shí)，超聲波分散15分鐘，得到半透明的二氧化鐵溶液。
[0017] 本發(fā)明的還提供上述超分散光催化劑的應(yīng)用:上述的超分散光催化劑應(yīng)用于燃料燃燒 催化。
[0018] 特別的，應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)二元燃料體系的燃油燃燒催化，將超分散光催化劑根據(jù)需 要用甲醇稀釋任意倍數(shù)，通過(guò)內(nèi)燃機(jī)甲醇管路由噴嘴噴入進(jìn)氣道，伴隨空氣進(jìn)入氣缸催化 柴油和甲醇二元燃料的燃燒。
[0019] 本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明的超分散光催化劑包括有W下重量份的組分:醇類溶劑90~110份、二氧化鐵2~6 份及分散劑10~14份，該超分散光催化劑為半透明溶液，其中，溶液中，二氧化鐵的一次粒徑 為10~50nm，二次粒徑小于l(K)nm，其不僅安全無(wú)毒，而且應(yīng)用于燃料燃燒有助于節(jié)能減排、 清積碳及提高燃燒利用率，對(duì)于應(yīng)用于汽車用內(nèi)燃機(jī)二元燃料燃燒體系催化助燃，效果顯 著。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，主要具有W下有益效果： (1)納米顆粒的表面積/粒徑比極大，極易團(tuán)聚，相容性差導(dǎo)致分散性不好，會(huì)大大降 低光觸媒催化劑的催化性能，故納米二氧化鐵的分散性一直是影響其催化性能的關(guān)鍵性因 素。本發(fā)明中，二氧化鐵的一次粒徑為10~50nm，二次粒徑小于1 OOnm，二氧化鐵分散性良好 且穩(wěn)定，具有優(yōu)異的催化性能，實(shí)現(xiàn)紫外、可見(jiàn)全光譜范圍的光催化響應(yīng)。
[0020] (2)而且本發(fā)明的超分散光催化劑為醇類作為溶劑的溶液，適用于燃油燃燒催化， 特別二元燃油體系催化助燃，將光觸媒應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)雙燃料燃燒領(lǐng)域是光觸媒發(fā)展的新方 向，利用燃料燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的光譜，就地取材，直接轉(zhuǎn)化為催化劑的動(dòng)力源。同時(shí)，在催化 劑的作用下，燃料燃燒更加完全，燃燒持續(xù)期增加，燃燒的熱效率顯著提高。
[0021] (3)顯著減排安全環(huán)保 光觸媒作為本正半導(dǎo)體，在光的作用下，可產(chǎn)生光生電子(e^)與空穴α+)，并與吸附在 納米顆粒表面的溶解氧形成超氧負(fù)離子，與氨氧根離子和水氧化成氨氧自由基。超氧負(fù)離 子和氨氧自由基具有很強(qiáng)的氧化性，能將絕大多數(shù)的有機(jī)物氧化至最終產(chǎn)物C〇2和出0，甚至 對(duì)一些無(wú)機(jī)物也能徹底分解。光觸媒在內(nèi)燃機(jī)二元燃料燃燒體系中，可促使有機(jī)物的完全 氧化，減少一氧化碳、氮氧化物、硫化物的濃度。
[0022] 本發(fā)明的超分散光催化劑制備方法主要W下有益效果： (1)可實(shí)現(xiàn)納米二氧化鐵在醇類溶劑的高度分散，顏色為無(wú)色半透明，穩(wěn)定性高. (2 )全光譜響應(yīng)擴(kuò)大光譜吸收闊值 提高納米二氧化鐵的量子產(chǎn)率，通過(guò)低價(jià)鐵前軀體Ti出(二氨化鐵)加入水和雙氧水預(yù) 先制備黃綠色漿料，該黃綠色漿料為3價(jià)鐵與4價(jià)鐵混合凝膠，隨后加入市面所售的任意一 種白色納米二氧化鐵粉體，使得3價(jià)鐵與4價(jià)鐵混合凝膠包覆于納米二氧化鐵的表面。然后 通過(guò)高溫、真空般燒等手段，獲得具有部分鐵離子自滲雜特征，從而降低禁帶寬度，實(shí)現(xiàn)紫 夕F、可見(jiàn)全光譜范圍的光催化響應(yīng)； (3)降低成本 明原材料簡(jiǎn)單易得，操作方便，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)與罐裝，生產(chǎn)成本低廉。同時(shí)，加注方 式根據(jù)內(nèi)燃機(jī)二元燃料燃燒系統(tǒng)原有的甲醇進(jìn)料方式即可進(jìn)行操作，無(wú)需更改現(xiàn)有各種燃 燒器、鍋爐燃燒系統(tǒng)及汽車內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)，避免改造費(fèi)用減低利用光催化劑催化燃燒的使 用成本。在促進(jìn)燃燒充分的同時(shí)，還可W減少積碳，降低汽車保養(yǎng)成本。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 結(jié)合W下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0024] 實(shí)施例1 本實(shí)施例的超分散光催化劑包括有W下重量份的組分： 醇類溶劑 90g 二氧化鐵 2g 分散劑 lOg 由于納米二氧化鐵的表面能較大容易發(fā)生團(tuán)聚，團(tuán)聚而成的顆粒粒徑均不同，處于一 定的范圍內(nèi)。本實(shí)施例的二氧化鐵團(tuán)聚而成的顆粒的一次粒徑為10~25nm，二次粒徑小于 lOOnm。
[0025] 實(shí)施例2 本實(shí)施例的主要技術(shù)方案與實(shí)施例1基本相同，在本實(shí)施例中未作解釋的特征，采用實(shí) 施例1中的解釋，在此不再進(jìn)行寶述。本實(shí)施例的超分散光催化劑包括有W下重量份的組 分： 醇類溶劑 llOg 二氧化鐵 6g 分散劑 1? 二氧化鐵的一次粒徑為30~50nm，二次粒徑為小于90nm。
[00%] 實(shí)施例3 本實(shí)施例的主要技術(shù)方案與實(shí)施例1基本相同，在本實(shí)施例中未作解釋的特征，采用實(shí) 施例1中的解釋，在此不再進(jìn)行寶述。本實(shí)施例的超分散光催化劑包括有W下重量份的組 分： 醇類溶劑 lOOg 二氧化鐵 4g 分散劑 1? 二氧化鐵的一次粒徑為25~30nm，二次粒徑為小于80nm。
[0027]初始溫度為800k時(shí)，實(shí)施例1、實(shí)施2及實(shí)施例3對(duì)柴油和甲醇二元燃料體系的催化 影響如表1: 表1
實(shí)施例4 本實(shí)施例的超分散光催化劑制備方法，具體步驟如下： (1)取Ig Ti此粉體，放置單口燒瓶中，然后加入去離子水50g，雙氧水15g，磁力攬拌6 小時(shí)，形成黃綠色漿料； (2) 加入5g日本石原stOl納米二氧化鐵粉體。充分?jǐn)埌韬?，放入真空干燥?0°C溫度下 干燥14小時(shí)，得到灰白色粉體； (3) 將粉體放入真空爐中400°C高溫般燒，得到藍(lán)白色粉體； (4) 將粉體倒入丫 -琉丙基Ξ甲基硅烷的甲醇溶液中，攬拌2.5小時(shí)，超聲分散20分鐘， 得到半透明二氧化鐵溶液為超分散光催化劑。
[0028] 將制得的超分散光催化劑溶液直接應(yīng)用于汽車內(nèi)燃機(jī)的燃燒催化，將超分散光催 化劑用甲醇稀釋1000倍，再通過(guò)甲醇管路由噴嘴噴入進(jìn)氣道，隨空氣進(jìn)入氣缸催化柴油和 甲醇燃料的燃燒。將溶液用。在不同的初始溫度下，觀察催化劑對(duì)燃燒情況的影響，得到W 下結(jié)果:_
' 說(shuō)明的是，本實(shí)施例的超分散光催化劑溶液應(yīng)用于汽車內(nèi)燃機(jī)的燃燒催化才使用甲醇胃 稀釋，若應(yīng)用在其他燃油和醇的燃料體系，則可用其他醇類溶劑作為稀釋劑，根據(jù)實(shí)際需要 稀釋任意倍。
[0029] 實(shí)施例5 本實(shí)施例的主要技術(shù)方案與實(shí)施例4基本相同，在本實(shí)施例中未作解釋的特征，采用實(shí) 施例4中的解釋，在此不再進(jìn)行寶述。
[0030] 本實(shí)施例的超分散光催化劑制備方法，具體步驟如下： (1) 取O.lg Ti出粉體，放置單口燒瓶中，然后加入去離子水lOg，雙氧水2g，磁力攬拌1 小時(shí)，形成黃綠色漿料； (2) 加入Ig德固賽P25型納米二氧化鐵粉體。充分?jǐn)埌韬?，放入真空干燥?5°C溫度下 干燥10小時(shí)，得到灰白色粉體； (3) 將粉體放入真空爐中500°C高溫般燒，得到藍(lán)白色粉體； (4) 將粉體倒入乙締基Ξ乙氧基硅烷的甲醇溶液中，攬拌1.5小時(shí)，超聲分散10分鐘，得 到半透明二氧化鐵溶液為超分散光催化劑。
[0031] 在不同的初始溫度下，觀察光催化劑對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒情況的影響，得到W下結(jié) 果：
實(shí)施例6 本實(shí)施例的主要技術(shù)方案與實(shí)施例4基本相同，在本實(shí)施例中未作解釋的特征，采用實(shí) 施例4中的解釋，在此不再進(jìn)行寶述。
[0032] 本實(shí)施例的超分散光催化劑制備方法，具體步驟如下： (1) 取0.5g Ti出粉體，放置單口燒瓶中，然后加入去離子水25g，雙氧水lOg，磁力攬拌 4小時(shí)，形成黃綠色漿料； (2) 加入Ig國(guó)內(nèi)某公司HLB型納米二氧化鐵粉體。充分?jǐn)埌韬螅湃胝婵崭稍锵?0°C溫 度下干燥12小時(shí)，得到灰白色粉體； (3) 將粉體放入真空爐中600°C高溫般燒，得到藍(lán)白色粉體； (4) 將粉體倒入正娃酸乙醋、丫-琉丙基立甲基硅烷的甲醇混合溶液中，攬拌2小時(shí)，超 聲分散15分鐘，得到半透明二氧化鐵溶液為超分散光催化劑。
[0033] 在不同的初始溫度下，觀察光催化劑對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒情況的影響，得到W下結(jié) 果：
實(shí)施例7 本實(shí)施例中，本發(fā)明的超分散光催化劑直接應(yīng)用于鍋爐燃燒系統(tǒng)的燃燒催化。但需說(shuō) 明的是，本發(fā)明的超分散光催化劑應(yīng)用于燃料燃燒催化而不限于鍋爐及汽車內(nèi)燃機(jī)。
[0034] 最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，W上實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案說(shuō)明而非對(duì)權(quán)利要 求保護(hù)范圍的限制。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照較佳實(shí)施例應(yīng)當(dāng)理解，并可W對(duì)本發(fā)明的 技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，但屬于本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)相同和保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種超分散光催化劑，其特征在于:包括有以下重量份的組分： 醇類溶劑 90~110份 二氧化鈦 2~6份 分散劑 10~14份， 二氧化鈦的一次粒徑為10~50nm，二次粒徑小于100nm。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超分散光催化劑，其特征在于：包括有以下重量份的組 分： 醇類溶劑 100份 二氧化鈦 4份 分散劑 12份。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超分散光催化劑，其特征在于:分散劑為正硅酸乙酯、 γ-巰丙基三甲基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷及丙基三甲氧基硅烷的 一種以上。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超分散光催化劑，其特征在于:醇類溶劑為甲醇。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2項(xiàng)所述的一種超分散光催化劑，其特征在于：二氧化鈦的一次粒 徑為25~30nm，二次粒徑小于100nm。6. -種超分散光催化劑制備方法，其特征在于：用于制備權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)的超 分散光催化劑，包括有以下步驟， (1) 取1重量份的TiH2粉體置于反應(yīng)器中，加入50~100重量份的水和15~20重量份的雙氧 水，攪拌1~6小時(shí)，獲得黃綠色漿料； (2) 往黃綠色漿料加入1~5重量份的納米二氧化鈦粉體，充分?jǐn)嚢韬螅?5~60°C真空干燥 10~14小時(shí)，得到灰白色粉體； (3 )將灰白色粉體真空高溫煅燒，得到藍(lán)白色粉體； (4)將藍(lán)白色粉體加入到分散劑與醇類溶劑的混合液中，攪拌1.5~2.5小時(shí)，超聲波分 散10~20分鐘，得到半透明的二氧化鈦溶液為超分散光催化劑。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種超分散光催化劑制備方法，其特征在于:步驟(3)中，將灰 白色粉體放入真空爐中高溫煅燒，煅燒溫度為400~600°C。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種超分散光催化劑制備方法，其特征在于： (1) 取1重量份的TiH2粉體，加入80重量份的水和17重量份的雙氧水，攪拌3小時(shí)； (2) 加入2重量份的納米二氧化鈦粉體，充分?jǐn)嚢韬螅?0°C真空干燥12小時(shí)，得到灰白色 粉體； (3 )將灰白色粉體在真空高溫煅燒，得到藍(lán)白色粉體； (4)分散劑為正硅酸乙酯、γ -巰丙基三甲基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧 基硅烷及丙基三甲氧基硅烷的一種以上，醇類溶劑為甲醇，將藍(lán)白色粉體加入到分散劑與 甲醇的混合液中，攪拌2小時(shí)，超聲波分散15分鐘，得到半透明的二氧化鈦溶液。9. 超分散光催化劑的應(yīng)用，其特征在于:權(quán)利要求1至8任意一項(xiàng)的超分散光催化劑應(yīng) 用于燃料燃燒催化。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的超分散光催化劑的應(yīng)用，其特征在于:應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)二元燃 料體系的燃油燃燒催化，將超分散光催化劑根據(jù)需要用甲醇稀釋任意倍數(shù)，通過(guò)內(nèi)燃機(jī)甲
【文檔編號(hào)】F02M25/00GK105833920SQ201610267420
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月27日
【發(fā)明人】蔡宏敏, 汪遠(yuǎn)昊, 崔輝然, 董翔
【申請(qǐng)人】天津蕙俐邦環(huán)?？萍加邢薰?br>