一种用于空气净化的复合纳米材料及其制备方法与流程

本发明属于纳米材料应用
技术领域：
，具体涉及一种用于空气净化的复合纳米材料。
背景技术：
：对纳米材料的研究是当今科学研究中一个前沿领域，也是全世界许多科学工作者研究的热点。纳米材料的神奇之处和还不为人们所识的方面更是引起了人们的广泛关注；对纳米材料进行制备的研究和应用更是目前的热点和难点，也是发展高科技的重点。甲醛是一种主要的室内空气污染物，其危害受到了人们广泛的关注。中国在2002年颁布的《室内空气质量标准》(GB/T18883-2002)中规定室内空气中甲醛的卫生标准(最高允许浓度)分别为0.10mg/m3。因此，去除室内空气中的甲醛有重要的意义。净化方法可以粗略地分为吸附法、化学反应法、等离子体技术、光催化法和催化法，其中催化法是一种长效的方法。美国专利US5585083发明了一种Pt/SnO2催化剂去除空气中甲醛的方法，催化剂在没有额外的能量输入和-5～25℃条件下，以空气中的氧为氧化剂将甲醛完全氧化成二氧化碳和水。但是，催化剂高的Pt含量(12wt％)导致催化剂的价格昂贵。中国专利CN1698932用负载金的稀土氧化物或者金属复合氧化物催化剂，在80～100℃温度下对甲醛能获得较好的效果。纳米抗菌材料因抗菌效率高、稳定性好、无毒无味和广谱性等优点具有广阔的市场。常用于纳米抗菌材料主要是负载Ag(Ag20),Cu0或Zn0等系列无机物，因为银系抗菌能力较强，对革兰阳性、阴性菌和霉菌以及酵母菌都有较好的效果，而且安全性好，对人体不产生毒害作用，所以目前商业化的抗菌剂主要是银系抗菌材料，并广泛应用于涂料、塑料、橡胶和织物等相关产品。如CN101187018A铝片上负载金属银具有规整的结构；CN1857309A利用金属银粉制成妇女用的喷剂对各种细菌真菌等有很好的效果；US20090130181用UV将Ag+在多种天然和合成的材料上原位还原成金属Ag，具有高效和长效的抗菌性能等。本发明基于上述现有技术，其目的是提供一种能够有效吸附空气中的甲醛以及除杀空气中细菌的空气净化的纳米材料。技术实现要素：本发明的目的是提供一种复合纳米材料，改纳米材料在空气净化，特别是吸附空气中的甲醛以及除杀空气中细菌方面展现出十分优良的特性。为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：一种用于空气净化的复合纳米材料，所述复合纳米材料由占复合材料15～55wt％的氧化石墨烯、30～50wt％的碳纳米颗粒、5～10wt％纳米TiO2以及1～3wt％纳米银颗粒组成，所述碳纳米颗粒、纳米TiO2以及纳米银颗粒负载在氧化石墨烯纳米片的表面，所述纳米片的厚度为4～12nm，银纳米颗粒的粒径为20～50nm，材料比表面积为700～900m2/g，孔容为0.3～0.5cm3/g。其中，所述复合纳米材料的制备方法包括如下步骤：(1)氧化石墨烯的制备：在0℃冰浴下，将0.015～0.072g石墨粉分散到20～25mL浓硫酸中，搅拌下加入KMnO4，所加KMnO4的质量是石墨粉的3～4倍，搅拌30～60分钟，温度上升至30～35℃，加入40～50ml去离子水，搅拌20～30分钟，加入10～15ml质量浓度30％的H2O2，搅拌5～20分钟，经过离心分离，用质量浓度5％的HCl溶液、去离子水和丙酮反复洗涤后得到氧化石墨纳米片；然后将得到的氧化石墨产物置于250mL烧瓶中，加入150mL的溶剂，将烧瓶置于120Hz的超声清洗机中超声1h，除去溶剂，即得到氧化石墨烯；(2)氧化石墨烯/碳纳米颗粒的制备：将15～25g碳源和二茂铁加入到50～80mL无水乙醇/水的混合溶剂中，形成均一稳定的溶液，然后将10～20g步骤(1)的氧化石墨稀纳米片加入到上述溶液中，并于室温下搅拌1～2h，形成均一稳定的混合液备用，然后将所形成的混合液倒入到反应釜，并将反应釜置于均相反应器中进行热处理，所述热处理条件为：温度160～200℃，时间为12～24小时；之后将产物洗涤、干燥，并于惰性气氛下，400～500℃焙烧为4～12小时，得氧化石墨烯/碳纳米颗粒材料；(3)氧化石墨烯/碳纳米颗粒/纳米TiO2/Ag纳米颗粒的制备：首先将0.2～2gAgN03溶解于20～30ml无水乙醇中，得到透明AgN03乙醇溶液,然后向制备的AgN03乙醇溶液中加入乙酸乙酯、1.5g～4g钛酸四丁酯、冰乙酸，搅拌8-12min，得到混合均匀的混合液；之后向上述制备的混合液中加入步骤(2)制备的氧化石墨烯/碳纳米颗粒材料5～15g，搅拌30～60min，然后放入聚四氟乙烯衬底的反应釜中，在120℃～160℃下反应12～24h，得到固体产物；最后固体产物洗涤、干燥、焙烧即得所述复合纳米材料。所述碳源为葡萄糖、蔗糖、酚醛树脂和间苯二酚的一种或多种。所述步骤(1)中所述溶剂为乙醇、甲醇、异丙醇或四氢呋喃中的一种或多种。所述步骤(2)中二茂铁的浓度为0.001～0.005mo1/L，所述惰性气氛为氮气或氩气。所述步骤(3)中洗涤为无水乙醇洗涤、干燥是在80～100℃下干燥12～24h、焙烧是在500～600℃下焙烧2～4h。所述无水乙醇/水的混合溶剂中无水乙醇与水的体积比为2：1。另外，本发明还提供了该复合纳米材料在空气净化中的应用，所述复合纳米材料可以除去空气中的甲醛以及抑制和杀灭各种细菌。本发明的技术效果为：(1)本发明实现了复合材料的可控合成，所合成的材料的表面性质十分优异，所述纳米片的厚度为4～12nm，银纳米颗粒的粒径为20～50nm，材料比表面积为700～900m2/g，孔容为0.3～0.5cm3/g，利用纳米层间结构和纳米颗粒尺寸所产生的纳米尺寸效应，使空气净化材料兼具有吸附和氧化净化、杀菌功能；材料的比表面积十分大，为甲醛的吸附提供了更多的吸附位点，氧化石墨烯和碳纳米颗粒二者相结合，丰富了材料的孔道结构和表面官能团性质，不仅对甲醛，对其它如：苯、甲苯、氨类等有机污染物也体现出良好的吸附选择性；另外，TiO2和Ag纳米颗粒在氧化石墨烯纳米片的表面均匀分散，二氧化钛在光照情况下发生的光催化反应，会在表面产生氢氧自由基和释放负离子，氢氧自由基的强氧化性能有效分解细菌，与银纳米颗粒一起起到抗菌杀菌的作用，克服了单一TiO2或单一Ag作为杀菌活性剂时性能的不足。(2)本发明具有工艺简单、成本低廉、周期短、环境友好等优点，可以适用于工业化大规模生产。附图说明图1为本发明实施例1复合纳米材料的SEM图。具体实施方式下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述：实施例1一种用于空气净化的复合纳米材料，所述复合纳米材料由占复合材料45wt％的氧化石墨烯、45wt％的碳纳米颗粒、8wt％纳米TiO2以及2wt％纳米银颗粒组成，所述碳纳米颗粒、纳米TiO2以及纳米银颗粒负载在氧化石墨烯纳米片的表面，所述纳米片的厚度为4～8nm，银纳米颗粒的粒径为20～30nm，材料比表面积为760m2/g，孔容为0.37cm3/g；其中，所述复合纳米材料的制备方法包括如下步骤：(1)氧化石墨烯的制备：在0℃冰浴下，将0.042g石墨粉分散到20mL浓硫酸中，搅拌下加入KMnO4，所加KMnO4的质量是石墨粉的3倍，搅拌50分钟，温度上升至32℃，加入45ml去离子水，搅拌25分钟，加入10ml质量浓度30％的H2O2，搅拌15分钟，经过离心分离，用质量浓度5％的HCl溶液、去离子水和丙酮反复洗涤后得到氧化石墨纳米片；然后将得到的氧化石墨产物置于250mL烧瓶中，加入150mL的溶剂异丙醇，将烧瓶置于120Hz的超声清洗机中超声1h，除去溶剂，即得到氧化石墨烯；(2)氧化石墨烯/碳纳米颗粒的制备：将20g碳源葡萄糖和二茂铁加入到60mL无水乙醇/水的混合溶剂中，形成均一稳定的溶液，然后将15g步骤(1)的氧化石墨稀纳米片加入到上述溶液中，并于室温下搅拌1.2h，形成均一稳定的混合液备用，然后将所形成的混合液倒入到反应釜，并将反应釜置于均相反应器中进行热处理，所述热处理条件为：温度180℃，时间为16小时；之后将产物洗涤、干燥，并于惰性气氛氮气下，450℃焙烧为8小时，得氧化石墨烯/碳纳米颗粒材料；(3)氧化石墨烯/碳纳米颗粒/纳米TiO2/Ag纳米颗粒的制备：首先将0.6gAgN03溶解于20ml无水乙醇中，得到透明AgN03乙醇溶液,然后向制备的AgN03乙醇溶液中加入乙酸乙酯、2.5g钛酸四丁酯、冰乙酸，搅拌8min，得到混合均匀的混合液；之后向上述制备的混合液中加入步骤(2)制备的氧化石墨烯/碳纳米颗粒材料10g，搅拌45min，然后放入聚四氟乙烯衬底的反应釜中，在150℃下反应15h，得到固体产物；最后固体产物无水乙醇洗涤、80℃下干燥24h、500℃下焙烧4h即得所述复合纳米材料。实施例2一种用于空气净化的复合纳米材料，所述复合纳米材料由占复合材料50wt％的氧化石墨烯、40wt％的碳纳米颗粒、7wt％纳米TiO2以及3wt％纳米银颗粒组成，所述碳纳米颗粒、纳米TiO2以及纳米银颗粒负载在氧化石墨烯纳米片的表面，所述纳米片的厚度为6～10nm，银纳米颗粒的粒径为30～40nm，材料比表面积为820m2/g，孔容为0.45cm3/g；其中，所述复合纳米材料的制备方法包括如下步骤：(1)氧化石墨烯的制备：在0℃冰浴下，将0.060g石墨粉分散到25mL浓硫酸中，搅拌下加入KMnO4，所加KMnO4的质量是石墨粉的4倍，搅拌60分钟，温度上升至35℃，加入50ml去离子水，搅拌30分钟，加入15ml质量浓度30％的H2O2，搅拌10分钟，经过离心分离，用质量浓度5％的HCl溶液、去离子水和丙酮反复洗涤后得到氧化石墨纳米片；然后将得到的氧化石墨产物置于250mL烧瓶中，加入150mL的溶剂，将烧瓶置于120Hz的超声清洗机中超声1h，除去溶剂，即得到氧化石墨烯；(2)氧化石墨烯/碳纳米颗粒的制备：将18g碳源和二茂铁加入到70mL无水乙醇/水的混合溶剂中，形成均一稳定的溶液，然后将20g步骤(1)的氧化石墨稀纳米片加入到上述溶液中，并于室温下搅拌2h，形成均一稳定的混合液备用，然后将所形成的混合液倒入到反应釜，并将反应釜置于均相反应器中进行热处理，所述热处理条件为：温度180℃，时间为16小时；之后将产物洗涤、干燥，并于惰性气氛下，500℃焙烧为6小时，得氧化石墨烯/碳纳米颗粒材料；(3)氧化石墨烯/碳纳米颗粒/纳米TiO2/Ag纳米颗粒的制备：首先将1.0gAgN03溶解于30ml无水乙醇中，得到透明AgN03乙醇溶液,然后向制备的AgN03乙醇溶液中加入乙酸乙酯、2g钛酸四丁酯、冰乙酸，搅拌12min，得到混合均匀的混合液；之后向上述制备的混合液中加入步骤(2)制备的氧化石墨烯/碳纳米颗粒材料11g，搅拌50min，然后放入聚四氟乙烯衬底的反应釜中，在160℃下反应12h，得到固体产物；最后固体产物无水乙醇洗涤、在90℃下干燥18h、在550℃下焙烧3h即得所述复合纳米材料。实施例3一种用于空气净化的复合纳米材料，所述复合纳米材料由占复合材料38wt％的氧化石墨烯、50wt％的碳纳米颗粒、10wt％纳米TiO2以及2wt％纳米银颗粒组成，所述碳纳米颗粒、纳米TiO2以及纳米银颗粒负载在氧化石墨烯纳米片的表面，所述纳米片的厚度为5～10nm，银纳米颗粒的粒径为25～45nm，材料比表面积为860m2/g，孔容为0.46cm3/g；其中，所述复合纳米材料的制备方法包括如下步骤：(1)氧化石墨烯的制备：在0℃冰浴下，将0.36g石墨粉分散到20mL浓硫酸中，搅拌下加入KMnO4，所加KMnO4的质量是石墨粉的3倍，搅拌60分钟，温度上升至30℃，加入40ml去离子水，搅拌26分钟，加入10ml质量浓度30％的H2O2，搅拌10分钟，经过离心分离，用质量浓度5％的HCl溶液、去离子水和丙酮反复洗涤后得到氧化石墨纳米片；然后将得到的氧化石墨产物置于250mL烧瓶中，加入150mL的溶剂乙醇，将烧瓶置于120Hz的超声清洗机中超声1h，除去溶剂，即得到氧化石墨烯；(2)氧化石墨烯/碳纳米颗粒的制备：将25g碳源蔗糖和二茂铁加入到80mL无水乙醇/水的混合溶剂中，形成均一稳定的溶液，然后将10g步骤(1)的氧化石墨稀纳米片加入到上述溶液中，并于室温下搅拌2h，形成均一稳定的混合液备用，然后将所形成的混合液倒入到反应釜，并将反应釜置于均相反应器中进行热处理，所述热处理条件为：温度170℃，时间为18小时；之后将产物洗涤、干燥，并于惰性气氛氩气下，480℃焙烧为8小时，得氧化石墨烯/碳纳米颗粒材料；(3)氧化石墨烯/碳纳米颗粒/纳米TiO2/Ag纳米颗粒的制备：首先将0.7gAgN03溶解于30ml无水乙醇中，得到透明AgN03乙醇溶液,然后向制备的AgN03乙醇溶液中加入乙酸乙酯、2.5g钛酸四丁酯、冰乙酸，搅拌12min，得到混合均匀的混合液；之后向上述制备的混合液中加入步骤(2)制备的氧化石墨烯/碳纳米颗粒材料12g，搅拌30～60min，然后放入聚四氟乙烯衬底的反应釜中，在130℃下反应16h，得到固体产物；最后固体产物无水乙醇洗涤、在100℃下干燥12h、在600℃下焙烧2h即得所述复合纳米材料。实施例4对其新装修的房子每平方米25g制品用本发明的实施例1的复合纳米材料除甲醛及异味后，隔日后通过六合一室内空气质量检测仪对其检测，结果如表1。序号参数单位处理前浓度处理后浓度1甲醛HCHOmg/m31.760.052苯C6H6mg/m31.620.083甲苯C7H8mg/m32.720.104一氧化碳mg/m342.96.75二氧化硫mg/m31.280.126氨NH3mg/m30.890.07由表1可以看出，本发明实施例在吸附处理空气有害成分方面具有十分优异的性能。最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3