Фотокатализатор на основе наноразмерной -модификации диоксида титана



Фотокатализатор на основе наноразмерной  -модификации диоксида титана
Фотокатализатор на основе наноразмерной  -модификации диоксида титана
Фотокатализатор на основе наноразмерной  -модификации диоксида титана
Фотокатализатор на основе наноразмерной  -модификации диоксида титана
Фотокатализатор на основе наноразмерной  -модификации диоксида титана
Фотокатализатор на основе наноразмерной  -модификации диоксида титана
Фотокатализатор на основе наноразмерной  -модификации диоксида титана
Фотокатализатор на основе наноразмерной  -модификации диоксида титана
Фотокатализатор на основе наноразмерной  -модификации диоксида титана
Фотокатализатор на основе наноразмерной  -модификации диоксида титана

 


Владельцы патента RU 2469788:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова" (МИТХТ им. М.В.Ломоносова) (RU)

Изобретение фотокатализатора. Описан фотокатализатор на основе диоксида титана, характеризующийся тем, что в качестве диоксида титана применяют наноразмерную метастабильную η-модификацию диоксида титана с площадью удельной поверхности 4,5-16 м2/г. Технический результат - повышение фотокаталитической активности. 2 табл., 9 ил., 4 пр.

 

Изобретение относится к фазовому составу и способу приготовления титаноксидного катализатора, применяемого преимущественно для фотокаталитической очистки воды, загрязненной молекулярными примесями органического происхождения.

Известны фотокатализаторы на основе рутильной и анатазной модификаций диоксида титана [Kazuhito Hashimoto, Hiroshi Irie, and Akira Fujishima, TiO2 Photocatalysis: A Historical Overview and Future Prospects, AAPPS Bulletin December 2007, Vol.17, No.6, 12-29]. Однако скорости реакций разложения органических веществ с их участием являются недостаточно высокими.

Наилучшие результаты для разложения метилового оранжевого с помощью промышленного катализатора Degussa P25 (содержит анатаз и рутил в отношении 3:1) были достигнуты при pH 3, начальной концентрации красителя не более 50 мг/л, содержании катализатора 0.8 г/л; в этих условиях полное разложение красителя было достигнуто за 5 ч [Guettaї N., Ait Amar H. Photocatalytic oxidation of methyl orange in presence of titanium dioxide in aqueous suspension. Pan 1: Parametric study. // Desalination. 2005. V.185 №1-3. PP.427-437]. В случае метиленового синего степень разложения 92.3% была достигнута за 160 мин при использовании наноразмерного (22.5 нм) анатаза при pH 2, концентрации красителя 0.20 г/л и содержании катализатора 1.5 г/л [Jun Yao and ChaoxiaWang, Decolorization of Methylene Blue with TiO2 Sol via UV Irradiation Photocatalytic Degradation, International Journal of Photoenergy, 2010, Volume 2010, Article ID 643182, 6 pages].

Наиболее близким техническим решением является фотокатализатор на основе анатазной модификации диоксида титана с размером частиц менее 20 нм, обработанный в смеси с красителем с помощью ультразвука в течение 10 мин; при концентрации красителя 0.2 ммоль/л и содержании катализатора 0.4 г/л полное разложение метилового фиолетового достигнуто за 75 мин, метиленового синего - за 105 мин, метилового красного, родамина Б, суданового синего и метилового оранжевого - за 120 мин [Azarmidokht Hosseinnia, Mansoor Keyanpour-Rad and Mohammad Pazouki, Photo-catalytic Degradation of Organic Dyes with Different Chromophores by Synthesized Nanosize TiO2 Particles, World Applied Sciences Journal 8(11): 1327-1332. 2010].

В патенте [United States Patent Application Publication. US 2006/0171877) описан фотокатализатор на основе диоксида титана, в котором в качестве диоксида титана применяют наноразмерную η-модификацию диоксида титана с размером кристаллов от 10 до 50 Ǻ, удельной поверхностью 290-320 м2/г, объемом пор 0.36-0.40 см2/г и содержанием поверхностных гидроксильных групп около 2,7 ммоль/г. Результаты каких-либо исследований фотокаталитической активности в данном патенте не приводятся.

Технический результат изобретения заключается в повышении фотокаталитической активности диоксида титана.

Технический результат достигается путем использования в качестве фотокатализатора разложения органических красителей в широком интервале значений pH (1-8) при концентрации красителя 0.33-1.04 ммоль/л и содержании катализатора 2.5-5 ммоль/л диоксида титана наноразмерной η-модификации, отличающегося от применявшихся ранее метастабильностью (фиг.7, 8), меньшим размером частиц (8-14 нм), а также большей гидратированностью и гидроксилированностью поверхности, по сравнению с прототипом (фиг.8, 9). Содержание поверхностных гидроксильных групп более 3 ммол/г (фиг.8, 9).

Наноразмерную η-модификацию диоксида титана (η-TiO2) получали способом, описанным в [United States Patent Application Publication. US 2006/0171877], при этом для более полного осаждения диоксида титана и улучшения его фотокаталитических свойств смешивали порошкообразный оксисульфат титана (IV), сольватированный водой и серной кислотой, (TiOSO4·xH2SO4·yH2O) с водой при массовом отношении TiOSO4·xH2SO4·yH2O:H2O=1:(3,5-6,5), температуре 75-97°C, а в качестве коагулянта использовали раствор хлорида калия при его содержании 1,5-4 моль/л в конечном объеме реакционной смеси.

Фазовый состав и размер кристаллитов (областей когерентного рассеяния) в полученных образцах контролировали традиционным рентгенографическим методом (фиг.1, табл.1), размер наночастиц - методом малоуглового рентгеновского рассеяния, морфологию - методами сканирующей (фиг.2) и просвечивающей электронной микроскопии с электронографией (фиг.3), характеристики микроструктуры - методом Брунауэра-Эммета-Теллера, содержание поверхностных групп -OH - методом дифференциальной сканирующей калориметрии (фиг.8, 9).

Характеристики образцов с наноразмерной η-модификацией диоксида титана:

Таблица 1
Рентгенометрические данные
d, Ǻ (межплоскостные расстояния) I, % (относительная интенсивность):
18.86 60
3.526 100
2.711 15
2.365 10
1.877 30

Размер кристаллитов (области когерентного рассеяния): 3-6 нм

Размер наночастиц: 8-14 нм

Размер микрочастиц: 200-300 нм

Удельная поверхность: 4.5-16 м2

Объем пор: 0.001-0.03 см3

Содержание поверхностных групп -OH: 10-21 ммоль/г

В примерах приведены результаты по фотокаталитическому разложению с помощью η-TiO2 таких соединений, как органические красители метиловый оранжевый, метиленовый синий и ксиленоловый оранжевый, под действием УФ-облучения (облучатель УФО-В-4, λ=250-400 нм, E=3.11-4.97 эВ, объем реакционной смеси 50 мл, площадь облучения 0.09 м2, постоянное перемешивание реакционной смеси) (табл.2).

Полное разложение метилового оранжевого происходит за 70-110 мин, метиленового синего - за 115-180 мин без предварительной обработки реакционной смеси и за 60-95 мин после обработки ультразвуком (фиг.4). Константа скорости реакции не уменьшается при повторном использовании образцов η-TiO2 (фиг.5). Установлено, что фотокаталитическая активность образцов η-TiO2 резко возрастает с повышением pH среды в реакционной смеси (фиг.6). В широком интервале pH фотокаталитическая активность образцов η-TiO2 существенно выше, чем ранее описанных фотокатализаторов (табл.2, фиг.6).

Пример 1.

Порошкообразный диоксид титана η-модификации смешивают с 1.04 М раствором индикатора метилового оранжевого при массовом содержании η-TiO2, равном 0.4 г/л, и pH реакционной смеси 2-3, перемешивают магнитной мешалкой в течение 30 мин, затем, не прекращая перемешивания, облучают УФ-лампой в течение 60 мин до полной деструкции хромофорной группировки, устанавливаемой по исчезновению пика поглощения на длине волны 492-510 нм. Константа скорости реакции разложения равна 0.077 мин-1.

Пример 2.

Порошкообразный диоксид титана η-модификации смешивают с 0.33 М раствором индикатора метиленового синего при массовом содержании η-TiO2, равном 0.4 г/л, и pH реакционной смеси 2-3, диспергируют ультразвуком в течение 3 мин, затем, при перемешивании, облучают УФ-лампой в течение 85 мин до полной деструкции хромофорной группировки, устанавливаемой по исчезновению пика поглощения на длине волны 620-650 нм. Константа скорости реакции разложения равна 0.017 мин-1.

Пример 3.

Порошкообразный диоксид титана η-модификации смешивают с 0.33 М раствором индикатора метиленового синего при массовом содержании η-TiO2, равном 0.4 г/л, и pH реакционной смеси 7-9, перемешивают магнитной мешалкой в течение 30 мин, затем, не прекращая перемешивания, облучают УФ-лампой в течение 114 мин до полной деструкции хромофорной группировки, устанавливаемой по исчезновению пика поглощения на длине волны 620-650 нм. Константа скорости реакции разложения равна 0.040 мин-1.

Пример 4.

Порошкообразный диоксид титана η-модификации смешивают с 0.66 М раствором индикатора метиленового синего при массовом содержании η-TiO2, равном 0.4 г/л, и pH реакционной смеси 7-9, перемешивают магнитной мешалкой в течение 30 мин, затем, не прекращая перемешивания, облучают УФ-лампой в течение 95 мин до полной деструкции хромофорной группировки, устанавливаемой по исчезновению пика поглощения на длине волны 620-650 нм. Константа скорости реакции разложения равна 0.050 мин-1.

Таблица 2
Фотокаталитическая активность образцов катализатора с η-TiO2 (k - константа скорости реакции разложения красителя: 1 - метиловый оранжевый, 2 - ксиленоловый оранжевый, 3 - метиленовый синий)
Образец k, мин-1
1 2 3
pH 2 pH 3.5 pH 5 pH 8 pH 3.5 pH 2 pH 3.5 pH 8
1 0.034 0.053 0 0.038
2 0.017
3 0.037 0.046
4 0.016 0 0.027
5 0.067 0.055
6 0.077
7 0.043
8 0.019 0.025 0 0.032
Degussa P25 (анатаз: рутил ~3:1) [1] 0.0142 0.0086 0.0026 0.0011
Hombikat UV-100 (анатаз) [1] 0.0056
Анатаз [2] 0.016 0.0014
Анатаз [3] 0.0083 0.0095

Источники информации

Фотокатализатор на основе диоксида титана, отличающийся тем, что в качестве диоксида титана применяют наноразмерную метастабильную η-модификацию диоксида титана с площадью удельной поверхности 4,5-16 м2/г.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к обработке воды. .

Изобретение относится к обработке воды. .

Изобретение относится к устройствам для обработки воды, в частности к устройствам для флокулирования при очистке природных поверхностных вод для хозяйственных и питьевых целей, промышленных, сточных вод и для других аналогичных технологических процессов.

Изобретение относится к технологиям очистки сточных вод. .

Изобретение относится к технологиям очистки сточных вод. .

Изобретение относится к технологиям очистки сточных вод. .

Изобретение относится к обработке водяного балласта водным раствором акролеина и может использоваться для дезинфекции водяного балласта на кораблях. .

Изобретение относится к устройству для получения окислительных биоцидов. .

Изобретение относится к устройству для получения окислительных биоцидов. .

Изобретение относится к области очистки воды и водных растворов с использованием ультразвуковых колебательных систем. .
Изобретение относится к неорганической химии редких металлов, в частности к неорганической химии титана. .
Изобретение относится к переработке титансодержащих концентратов с получением композиционных титансодержащих продуктов, используемых в качестве фотокатализаторов и сорбентов для очистки воды и воздуха от токсичных органических и неорганических веществ.

Изобретение относится к области химического синтеза металлосодержащих растворов сложного состава, включающих как алкоксидные, так и карбоксилатные производные металлов, применяемых для получения оксидных твердых растворов с использованием золь-гель технологии, а именно к способам приготовления безводных пленкообразующих растворов для формирования сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца, и может быть использовано в технологии микроэлектроники и, в частности, для производства энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройств.

Изобретение относится к области способов получения наноразмерных образцов диоксида титана и может применяться в качестве адсорбента для эффективной очистки водных систем от вредных и нерастворимых ионов и их соединений, в частности для извлечения ионов висмута.

Изобретение относится к медицинской технике. .

Изобретение относится к технологии утилизации отходов, включающих соединения титана, и может быть использовано для улучшения экологии путем переработки техногенных отходов, возникающих в процессе производства полуфабрикатов и изделий из сплавов на основе титана, а также для получения товарного продукта - гексафторотитаната калия (K2ТiF6).

Изобретение относится к способу создания наноструктурной пористой поверхности имплантатов из титана и сплавов титана. .
Наверх