多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光催化劑領(lǐng)域，具體地，涉及多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化鈦光催化劑具有無毒、穩(wěn)定、價廉、以及能在常溫下光催化降解多種有機物等特點，因此可用于工業(yè)污水處理，其還能利用二氧化鈦光催化所產(chǎn)生的強氧化基團(?0H)殺害有害的細菌和病毒，是一種具有廣闊的應(yīng)用前景的光催化劑。但是，T12在實際應(yīng)用過程中還受到諸多因素的限制，主要有:(I)銳鈦礦型T12的禁帶寬度為3.2eV，只能在波長小于387.5nm的紫外光的激發(fā)下才能顯示出不俗的光催化活性，而紫外光僅占太陽能射線的5%左右，大大限制了 T12對太陽光或人工光源中可見光的利用率；(2)納米T12粉體在處理液相污染物的過程中，存在吸附能力弱、易團聚失活、易流失而難回收、易沉淀而難以得到光照等不足，因此對污染物的光催化降解效果甚弱，尤其當(dāng)污染物的濃度較低時，T12的光催化活性就更微不足道。
[0003]因而，關(guān)于提高T12的光催化活性的研究仍有待深入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種能夠有效拓寬T12光譜響應(yīng)范圍和提高T12在太陽光或可見光下的光催化量子效率的手段。
[0005]在本發(fā)明的一個方面，發(fā)明提供一種制備多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料的方法。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該方法包括:(I)將鈦的前驅(qū)體、釤的前驅(qū)體、水解抑制劑、聚合物、致孔劑及有機溶劑配成均勻的紡絲液；(2)將所述紡絲液進行靜電紡絲，以便獲得納米纖維膜；(3)將所述納米纖維膜在空氣氛圍、200?300攝氏度下進行預(yù)氧化處理I?6小時，以便獲得穩(wěn)定化納米纖維；(4)將所述穩(wěn)定化納米纖維在500?1000攝氏度下進行碳化處理I?6小時，以便獲得多孔碳納米纖維負載釤摻雜二氧化鈦材料。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，利用本發(fā)明的該方法，能夠快速有效地制備獲得多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料，且操作簡單，方便快捷。另外，在本發(fā)明的該方法中，采用靜電紡絲和溶膠凝膠相結(jié)合的方法制備材料時工藝簡單，且保證了材料的均一性；采用致孔劑，高溫處理后在碳納米纖維表面和內(nèi)部形成的多孔結(jié)構(gòu)增大了材料與反應(yīng)物的接觸面積；采用釤摻雜納米二氧化鈦，能夠有效抑制納米顆粒的團聚，拓寬了 T12光譜響應(yīng)范圍的同時，提高了 1102在太陽光或可見光下的光催化量子效率，同時本發(fā)明的該方法通過將多孔碳納米纖維的吸附能力和釤摻雜納米二氧化鈦的光催化活性協(xié)同起來，使得通過該方法制備獲得的多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料的污水處理能力大幅提高。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的實施例，在所述紡絲液中，所述聚合物的濃度為6?15wt%，所述致孔劑的濃度為2?15wt%，所述鈦的前驅(qū)體及所述水解抑制劑的濃度為0.1?1.0mol/L，釤前驅(qū)體的濃度為0.005-0.02mol/L。由此，有利于獲得納米二氧化鈦分布均勻、光催化效率高、吸附能力強的多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述鈦的前驅(qū)體的種類不受特別限制。在本發(fā)明的一些實施例中，所述鈦的前驅(qū)體為選自鈦酸四丁酯、鈦酸、偏鈦酸、硫酸氧鈦、鈦酸異丙酯、四氯化鈦中的至少一種。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述釤的前驅(qū)體的種類不受特別限制。在本發(fā)明的一些實施例中，所述釤的前驅(qū)體為選自選自氧化釤、醋酸釤、硝酸釤、氯化釤、碘化釤中的至少一種。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述水解抑制劑的種類不受特別限制。在本發(fā)明的一些實施例中，所述水解抑制劑為選自醋酸、鹽酸、硫酸、草酸中的至少一種。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述聚合物的種類不受特別限制。在本發(fā)明的一些實施例中，所述聚合物為選自聚丙烯腈、聚乙烯醇縮丁醛、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)、聚左旋乳酸(PLLA)、聚丙烯酸(PAA)中的至少一種。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述致孔劑的種類不受特別限制。在本發(fā)明的一些實施例中，所述致孔劑為選自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)中的至少一種。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述有機溶劑的中類不受特別限制。在本發(fā)明的一些實施例中，所述有機溶劑為選自N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亞砜(DMS0)、三氟乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷中的至少一種。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟(2)中，于以下工藝參數(shù)下進行所述靜電紡絲:注射器針頭內(nèi)徑為0.6?2.0毫米，紡絲電壓為8?20千伏，所述紡絲液的流速為0.3?1.5毫升/小時，接收距離為10?30厘米。由此，能夠獲得均一性較好的多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述靜電紡絲為單針頭紡絲或多針頭紡絲。由此，有利于提高靜電紡絲的效率，進而提高制備多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料的效率。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟(3)中，所述預(yù)氧化處理的升溫速度為I?10攝氏度/分鐘。由此，有利于提高預(yù)氧化處理的效率和質(zhì)量，進而提高制備多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料的效率。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟(4)中，在選自氮氣、氬氣、氦氣和氫氣的至少一種的氛圍下，進行所述碳化處理。由此，有利于提高碳化處理的效率和質(zhì)量，進而提高制備多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料的效率。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的實施例，在步驟(4)中，所述碳化處理的升溫速度為I?5攝氏度/分鐘，所述碳化處理的降溫速度為I?20攝氏度/分鐘。由此，有利于提高碳化處理的效率和質(zhì)量，進而提高制備多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料的效率。
[0013]在本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供一種多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料是通過前面所述的方法制備的。本發(fā)明的多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料中，通過釤摻雜納米二氧化鈦提高了納米二氧化鈦的光催化活性，采用致孔劑，高溫處理后在碳納米纖維表面和內(nèi)部形成的多孔結(jié)構(gòu)增大了材料與反應(yīng)物的接觸面積，并且本發(fā)明的多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料將多孔碳納米纖維的吸附能力和釤摻雜納米二氧化鈦的光催化活性協(xié)同起來，使得其污水處理能力大幅提高。
[0014]在本發(fā)明的又一個方面，本發(fā)明提供一種處理污水的方法。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該方法包括:將待處理污水與前面所述的多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料接觸。發(fā)明人^(喜地發(fā)現(xiàn)，利用本發(fā)明的該方法，所述多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料光催化活性高，吸附能力強，能夠快速有效地分解待處理污水中的有機物，達到凈化污水的目的。
[0015]需要說明的是，在本文中所使用的術(shù)語“接觸”應(yīng)做廣義理解，其可以是任何能夠使得至少兩種物質(zhì)發(fā)生作用的方式，例如可以是將兩種物質(zhì)在適當(dāng)?shù)臈l件下進行混合。根據(jù)需要，可以在攪拌下，將需要進行接觸的物質(zhì)進行混合，并且，攪拌的類型并不受特別限制，例如可以為機械攪拌，也可以為磁力攪拌等。
【附圖說明】
[0016]圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，多孔碳納米纖維負載釤摻雜納米二氧化鈦材料的掃描電鏡照片，其中，
[0017]圖1a為纖維表面的掃描電鏡照片，
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