环境协调型Ce-La/TiO2复合材料的制备及光-湿-热性能

(1 安徽工业大学 建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032；2 广州特种承压设备检测研究院，广州 510050; 3 安徽工业大学 冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室，安徽 马鞍山 243032)

超低能耗建筑的建造，健康舒适居住环境的营造与建筑材料的发展密切相关。近年来，建筑与材料领域的科研工作者普遍关注具有“被动调节能力”[1]建筑材料的研究，如相变调温材料，多孔调湿材料，调温调湿复合材料等，并且已经在工程应用中取得了一定的成果。Kuznik等[2]研究了加入相变材料的相变墙体的调温效果，并与普通墙体进行了对比研究，结果表明相变材料墙体对温度的调节性能明显优于普通墙体；Yang等[3]和黄子硕等[4]分别从材料的孔结构对吸湿性能的影响方面进行了一系列的实验和模拟研究，研究结果表明多孔调湿材料可以用于调节室内微环境；尚建丽等[5]在前期工作研究的基础上将相变材料封装在多孔调湿材料的孔结构中制备了多孔调温调湿复合材料，经实验研究能够调节室内的温湿环境。同时环境领域的科研工作者致力于提高N-半导体材料(如TiO2)光催化性能的研究[6-8]，利用光催化性能来降解室内的有害物质。冯翠珍等[9]研发出改性TiO2粉末将之用于空调系统中以去除室内的有害微生物；Roales等[10]将改性TiO2复合薄膜在紫外光下降解挥发性有机物，结果显示不同的复合改姓方法对TiO2光催化降解的效果有较大的影响；郑玉婴等[11-12]制备了不同稀土元素改性的TiO2空心微球，以进一步提高比表面积与增加光催化反应活点，从而达到提高降解环境污染物的目的。然而，上述研究成果普遍存在材料的性能单一，无法真正实现当今室内环境舒适度的新要求，即舒适的温湿度与良好的空气品质。如何将具有“被动调节能力”建筑材料与改性N-半导体材料结合，实现对室内环境温湿度与空气品质协调作用，鲜见相关报道。本研究利用TiO2空心微球的空心结构封装相变材料，将光催化材料与相变调温材料相结合，同时利用TiO2空心微球的介孔结构及自身的亲水性能实现对湿度的调节控制，实现材料的光-湿-热性能复合，达到同时调节室内温湿度和净化室内空气的目的。

本研究基于前期制备Ce-La/TiO2空心微球所取得的成果，采用均匀设计和多元非线性回归方程研究Ce-La掺量(Ce-La与钛酸丁酯物质的量比)、Ce与La物质的量比、煅烧温度和硅酸四乙酯用量(硅酸四乙酯与钛酸丁酯的体积比)对Ce-La/TiO2空心微球的吸放湿性能和光催化性能影响，确定优化Ce-La/TiO2空心微球制备方案，制备出了具有良好吸放湿性能和光催化性能的Ce-La/TiO2空心微球。然后将其与癸酸-棕榈酸复合，制备具有光催化性能、吸放湿性能和相变调温性能的环境协调型Ce-La/TiO2复合材料，并利用SEM与LPSA表征Ce-La/TiO2复合材料的微观形貌与粒径分布，为进一步利用建筑材料改善室内环境舒适度，降低建筑能耗提供一定的研究思路和技术支持。

1 实验材料与方法

1.1 试剂

钛酸丁酯(C16H36O4Ti，上海麦克林生化科技有限公司)、正硅酸四乙酯(C8H20O4Si，上海麦克林生化科技有限公司)、硝酸铈(CeN3O9·6H2O，上海麦克林生化科技有限公司)、硝酸镧(LaN3O9·6H2O，上海麦克林生化科技有限公司)、癸酸(CH3(CH2)8CO(OH)，天津市福晨化学试剂厂)、棕榈酸(C16H32O2，天津市福晨化学试剂厂)、无水乙醇(CH3CH2OH，天津市天力化学试剂有限公司)、氨水(NH3·OH，上海麦克林生化科技有限公司)、聚乙烯吡咯烷酮(PVPK30，攻碧克新材料科技(上海)有限公司)，实验用水为去离子水。

1.2 实验方法

首先，将50mL无水乙醇，20mL去离子水，2.5mL氨水置于锥形瓶中，室温磁力搅拌20min使之混合均匀；逐滴滴加由一定量正硅酸四乙酯和30mL无水乙醇组成的混合液控制30min滴完。滴完之后继续磁力搅拌4h使之充分反应，将制备出的纳米SiO2小球用无水乙醇离心洗涤3次，并且分散在20mL无水乙醇中成为纳米SiO2小球分散液。向纳米SiO2小球分散液中依次加入50mL无水乙醇，0.5g表面活性剂——聚乙烯吡咯烷酮以及一定量硝酸铈和硝酸镧，经过超声分散30min，使之成为分散均匀的混合液A。向混合液A中逐滴滴加5mL钛酸丁酯和30mL无水乙醇组成的混合液B，控制30min滴完，获得混合液C。将混合液C的温度缓慢升高至75℃，恒温回流与磁力搅拌90min，经过无水乙醇离心洗涤5次，60℃真空干燥，获得Ce-La/TiO2-SiO2复合微球凝胶。将Ce-La/TiO2-SiO2复合微球凝胶在一定温度下进行煅烧，煅烧时间为2h，获得Ce-La/TiO2-SiO2复合微球。

其次，将Ce-La/TiO2-SiO2复合微球分散在30mL去离子水中，加入50mL浓度为0.3mol/L的NaOH溶液，磁力搅拌，加热至85℃，反应3h，用去离子水离心洗涤4次，以去除SiO2模板，置于60℃的真空干燥箱干燥，获得Ce-La/TiO2空心微球。同时，将癸酸与棕榈酸按质量分数85.5%/14.5%的比例进行混合，在60℃水浴条件下溶解并搅拌2h使其分散均匀，获得癸酸-棕榈酸。

最后，将癸酸-棕榈酸和Ce-La/TiO2空心微球按质量比0.45进行混合，并且将其放入真空干燥箱中吸附，其真空度为30×103Pa、温度为50℃、反应时间1.5h，获得Ce-La/TiO2复合材料。

1.3 性能测试及表征

吸放湿性能测试采用等温吸放湿法，具体实验方法其测试步骤见文献[13]，相对湿度选取22.50%～97.30%；光催化性能测试根据《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》(GB18580-2001)；相变调温性能测试采用步冷曲线法，具体实验方法其测试步骤见文献[14]，降温温度选取30～15℃。

采用S4800冷场发射型扫描电镜测试Ce-La/TiO2复合材料的微观形貌；采用NANOPHOX型激光粒度分析仪测试Ce-La/TiO2复合材料的粒径分布。

2 结果与分析

2.1 光-湿性能测试

结合室内舒适度对相对湿度范围的要求[17]，选择Ce-La/TiO2空心微球在相对湿度43.16%～75.29%之间的湿容量作为衡量Ce-La/TiO2空心微球湿性能的评价指标。依据表1计算出在相对湿度43.16%～75.29%之间各Ce-La/TiO2空心微球的湿容量，顺序如下：3#>5#>6#>1#>2#>7#>4#>8#。从图1可以看出，各样品对甲醛的降解率随着时间的延长都有不同程度的增长，其中4#，5#，7#，8#样品对甲醛的降解率随着时间的推移增长较为缓慢，经过5h各Ce-La/TiO2空心微球的甲醛降解效率顺序如下：3#>1#>2#>6#>5#>4#>7#>8#。综合分析表1和图1可以看出，Ce-La/TiO2空心微球的吸放湿性能和光催化性能的关系复杂且无明显规律，为了同时获得具有较好吸放湿性能和光催化性能的Ce-La/TiO2空心微球还需要进一步分析。

表1 Ce-La/TiO2空心微球的平衡含湿量Table 1 Equilibrium moisture content of Ce-La/TiO2 hollow microspheres

图1 Ce-La/TiO2空心微球的甲醛降解效率Fig.1 Formaldehyde degradation of Ce-La/TiO2hollow microspheres

2.2 优化制备模型分析

根据上述分析，依据表1和图1，采用多元非线性回归方程对因素与目标值之间的关系进行拟合建立模型，并对影响目标值的各因素水平及其交互作用进行优化与评价。由于Ce-La/TiO2空心微球的吸放湿性能和光催化性能的关系复杂且无明显规律，同时吸放湿性能单位(g/g)与光催化降解性能单位(%)存在不一致性，因此需要对吸放湿性能和光催化性能做归一化处理。具体方法如下：将测试目标值的最大值记为1，其余测试结果所占最大值1的百分比即为目标表达值，经归一化之后，使最终目标具备可比性。本工作选取在相对湿度43.16%～75.29%间各Ce-La/TiO2空心微球的湿容量，经归一化处理记为F1；选取经过5h各Ce-La/TiO2空心微球的甲醛降解效率，经归一化处理记为F2，则Ce-La/TiO2空心微球的目标值F即F=F1+F2(见表2)。表3为F的相关系数，其中回归系数β是反映各项的变动引起F变动的量；标准化系数Bt反映各项对F的影响重要程度[18]。从表3可以看出，均匀设计结果与二次回归模型吻合较好(R=0.9863)，表明以Ce-La/TiO2空心微球的吸放湿性能和光催化性能为目标值建立的模型回归效果良好。由表3还可以看出，各因素对目标值F的影响重要程度顺序：因素A>因素D>因素B>因素C。

根据表3中各项回归系数，可以得到Ce-La/TiO2空心微球的吸放湿性能和光催化性能作为目标值F，即回归方程

F=1.6032+0.7664A+0.0579B+(-0.0003)C+0.1035D+(-0.0682)A2+(-0.0046)B2+0.0000C2+(-0.0311)D2

(1)

2.3 优化结果

采用Gauss-Newton算法求解该回归方程(1)，获得因素A为0.76%、因素B为1.0、因素C为646℃、因素D为0.63时制备的Ce-La/TiO2空心微球的吸放湿性能和光催化性能最好。根据回归方程(1)计算的目标值F为2.0514。依据1.2实验方法以非线性回归模型优化参数制备优化Ce-La/TiO2空心微球，依据1.3性能测试方法对优化Ce-La/TiO2空心微球进行吸放湿性能和光催化性能测试，获得的吸放湿性能(在相对湿度43.16%～75.29%间的湿容量)为0.0913g/g，光催化性能(经过5h的甲醛降解效率)为59.64%，即F=(0.0913/0.0895)+(59.64%/57.75%)=2.0540。

表2 目标值FTable 2 Target values F

表3 F的相关系数Table 3 Correlation coefficient for F

2.4 Ce-La/TiO2复合材料

根据上述优化结果，依据1.2节实验方法，将优化Ce-La/TiO2空心微球与癸酸-棕榈酸进行复合，其优化Ce-La/TiO2空心微球与癸酸-棕榈酸的质量比为0.45，真空度为30×103Pa制备Ce-La/TiO2复合材料。依据1.3节性能测试及表征，获得优化Ce-La/TiO2空心微球和Ce-La/TiO2复合材料的性能测试及表征结果(见图2～4)。

2.4.1 Ce-La/TiO2复合材料的光-湿-热性能分析

从图2(a)可以看出优化Ce-La/TiO2空心微球在相对湿度为43.16%～75.29%间的湿容量为0.0913g/g，同时，Ce-La/TiO2复合材料的在相对湿度97.00%时的平衡含湿量为0.1266g/g，其中在相对湿度43.16%～75.29%间的湿容量为0.0576g/g，与优化Ce-La/TiO2空心微球的湿容量相比虽有显著的下降，但仍具有较高的湿容量，这是由于相变材料的填充占据了部分孔体积，使Ce-La/TiO2复合材料的孔隙率降低，从而造成了湿容量的下降。从图2(b)可以看出优化Ce-La/TiO2空心微球经过5h的甲醛降解效率为59.64%，Ce-La/TiO2复合材料经过5h的甲醛降解效率为56.37%，与优化Ce-La/TiO2空心微球相比没有明显降低，说明真空吸附的癸酸-棕榈酸相变材料较为完全地封装在空心微球的空腔中，表面无泄漏，没有造成对光源的阻隔，影响光催化反应的进行。从图2(c)可以看出，Ce-La/TiO2复合材料从30～15℃降温所需要的时间近500s，其中在20～22℃出现明显的相变平台，且持续时间较长，说明Ce-La/TiO2复合材料具有优良的相变调温性能。优化Ce-La/TiO2空心微球由于没有相变调温材料所以不具备相变平台。以上分析表明，虽然Ce-La/TiO2复合材料与优化Ce-La/TiO2空心微球相比调湿性能有一定程度的下降，但是其调温性能有显著的增加，光催化降解甲醛的性能基本保持不变。

图2 Ce-La/TiO2复合材料与优化Ce-La/TiO2空心微球的性能测试结果(a)平衡含湿量；(b)甲醛降解效率；(c)步冷曲线Fig.2 Properties test results of Ce-La/TiO2 composites and Ce-La/TiO2 hollow microspheres(a)equilibrium moisture content;(b)degradation of formaldehyde;(c)cooling curves

2.4.2 Ce-La/TiO2复合材料的形貌和粒径分析

从图3可以看出，Ce-La/TiO2复合材料呈现良好的球体，其表面粗糙无明显凹陷，说明癸酸-棕榈酸很好地充填于Ce-La/TiO2空心微球内，无泄漏现象，同时Ce-La/TiO2复合材料的颗粒粒径较小且均匀性较好，几乎不存在明显的团聚现象。从图4可以看出Ce-La/TiO2复合材料的粒径分布为58.66～367.16nm，其中d50为156.77nm，进一步说明Ce-La/TiO2复合材料具有良好的粒径分布，属于纳米级复合材料。

图3 Ce-La/TiO2复合材料的SEM图Fig.3 SEM image of Ce-La/TiO2 composites

3 结论

(1)通过均匀实验设计，结合多元非线性回归分析，可以得出各制备参数对Ce-La/TiO2空心微球吸放湿性能和光催化性能综合影响的主次顺序为：Ce-La掺量>硅酸四乙酯用量>Ce与La物质的量比>煅烧温度。优化Ce-La/TiO2空心微球的制备参数：Ce-La掺量为0.76%、Ce与La物质的量比为1.0、煅烧温度为646℃、硅酸四乙酯用量为0.63。

图4 Ce-La/TiO2复合材料的LPSA曲线Fig.4 LPSA curves of Ce-La/TiO2 composites

(2)Ce-La/TiO2复合材料具有优良的吸放湿性能，光催化性能和相变调温性能即在相对湿度43.16%～75.29%间的湿容量为0.0576g/g，经过5h的甲醛降解效率为56.37%，30～15℃降温所需要的时间近500s，其中在20～22℃出现明显且持续的相变平台。

(3)Ce-La/TiO2复合材料呈现良好的球体，其表面光滑圆润无明显凹陷，癸酸-棕榈酸无泄漏现象，粒径分布为58.66～367.16nm，其中d50为156.77nm属于纳米级复合材料。

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