矿物-TiO2复合材料制备及其颜料和光催化性能的提升机制研究

20201016

制造业

应用技术

新技术

仅限国内转让

功能性复合矿物材料的制备技术研究

国家科技计划

与院校合作

苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司;北京建筑材料科学研究总院有限公司;北京天之岩健康科技有限公司;北京依依星科技有限公司

本成果主要来源于国家科技支撑计划课题（2008BAE60B06）、国家自然科学基金项目（51144011、51474194、21106138）和北京市科技计划项目（z080003032208015）以及横向项目。微纳米二氧化钛（TiO2）是具有优异光学和光化学效应的金属氧化物功能材料，一些来自天然和工业副产的非金属矿物是具有先进结构属性、优异理化性质的重要原材料。将矿物与TiO2进行微纳米颗粒复合可充分发挥矿物的功能属性和协同效应，提升TiO2的功能及效率，从而形成对TiO2的节代以降低TiO2使用量、成本和提高非金属矿物利用价值、产品附加值的重要手段。因此，构建矿物-TiO2复合材料及提升其颜料和光催化性能机制等关键技术成为矿物材料领域重要的研究方向，但目前国内外在该方向从制备技术的先进性、基础理论及材料性能等方面的研究仍缺乏系统性、完整性和指导性。 自2003年以来，由中国地质大学（北京）等单位人员组成的科研团队以我国大规模应用的典型天然和工业副产非金属矿物为依托，对矿物-TiO2复合材料先进制备及其颜料和光催化性能的提升机制进行了系统研究，主持完成了国家科技支撑、国家自然科学基金和北京市科技计划等国家级、省部级和横向科研项目，取得多项创新性成果： 1）创新研发了液相机械力化学法进行矿物-TiO2颗粒复合技术，发明了具有自主知识产权的制备工艺,制得以多种矿物为基体的复合TiO2颜料和光催化剂，构建了矿物与TiO2颗粒有序复合的理论体系，揭示了影响规律及调控机理。 2）揭示了异质颗粒间通过诱导疏水聚团形成自组装复合的演变过程和控制原理，突破了矿物-TiO2颗粒间选择性识别的关键技术难题，建立了颗粒自组装复合的构效关系，发明了自组装方法制备矿物表面包覆TiO2复合颜料工艺。 3）研究发现并揭示了无定形SiO2微球（MS-SiO2）表面羟基化处理对所负载纳米TiO2、CdS粒子尺度、分散性和TiO2-CdS异质结类型，进而影响复合光催化剂结构和提升光生电子-空穴迁移和分离效率的协同机制，显著提升了MS-SiO2为载体复合光催化剂的性能。 4）首次研究了以高分子表面活性剂插层改性蒙脱石为载体，通过层间柱撑TiO2方式制备复合光催化剂技术，阐明了增强复合光催化剂性能的机制。 5）首次将碳酸钙-TiO2复合材料作为乳浊剂用于卫生陶瓷釉层制备，突破了TiO2代替硅酸锆作乳浊剂导致陶瓷釉面黄变这一关键技术难题，揭示了基于TiO2与碳酸钙复合消除釉面黄变的机理，制得无放射性辐射的白色釉面卫生陶瓷洁具。 项目执行期间，授权获得8项国家发明专利和1项实用新型专利。矿物-TiO2复合颜料和复合光催化剂实现了成果转化生产。依托本成果，出版专著2部，发表论文58篇，其中SCI论文33篇；培养硕士和博士研究生24名。