一種用于可見光催化的碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無機(jī)納米材料和環(huán)境污染治理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可用于降解污染物(染料)的具有高效可見光催化活性的碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人口的急劇膨脹和工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題已經(jīng)成為影響人類生產(chǎn)、生活的首要問題。各國(guó)政府都將環(huán)境污染治理列為現(xiàn)階段以及未來幾年的頭等大事。特別是印染行業(yè)中甲基橙等大量水溶性偶氮染料的大量排放，使人類賴以生存的水質(zhì)日益惡化。這些污染物質(zhì)多難生物降解，一旦進(jìn)入水體，由于其在水體中自然降解過程緩慢，其危害性延滯較長(zhǎng)。光催化反應(yīng)可以將污染物在光照條件下完全礦化為各種無機(jī)離子，因此在環(huán)境治理方面得到了廣泛關(guān)注，關(guān)于光催化劑的研發(fā)，成為目前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。
[0003]納米氧化鈦由于具有尺寸小、比表面積大、表面原子配位不全等特點(diǎn)，從而導(dǎo)致其表面的活性位較多，形成了凸凹不平的原子臺(tái)階，在作為催化劑使用時(shí)可以增大與反應(yīng)物的接觸面積，因此，和傳統(tǒng)催化劑相比，具有更高的催化活性。在光催化領(lǐng)域，納米氧化鈦?zhàn)鳛榇呋瘎r(shí)能使水中的有害有機(jī)物質(zhì)最終分解，避免其對(duì)環(huán)境的污染。研究表明，納米氧化鈦的反應(yīng)速度是大塊氧化鈦材料的100~1000倍，而且與普通粒子相比，納米氧化鈦幾乎不會(huì)引起光的散射，因此是極具應(yīng)用前景的光催化劑之一。
[0004]到目前為止，人們已經(jīng)通過制備多種多樣的氧化鈦納米復(fù)合材料對(duì)氧化鈦進(jìn)行性能良，如氧化錫-氧化鈦復(fù)合材料，氧化鋅-氧化鈦復(fù)合材料等。雖然方法很多，但仍都存在一些不足，目前得到的氧化鈦復(fù)合材料對(duì)污染物的降解效率仍待提高。尋求價(jià)廉、環(huán)境友好并具有高催化活性的光催化材料是光催化技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可用于降解污染物(染料)的具有高效光催化活性的碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料及制備方法。
[0006]本發(fā)明提供的碘氧鉍-碳纖維的制備方法，其特征在于采用一種靜電紡絲發(fā)生裝置進(jìn)行制備，該方法節(jié)能環(huán)保，條件易于控制，原材料廣泛，成本低廉，容易大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。所得碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料在污染物治理方面具有很好的應(yīng)用前景。具體包括以下步驟:
(I)將聚丙烯腈(PAN)加入到N-N 二甲基酰胺(DMF)中，磁力攪拌6小時(shí)以上，得到透明穩(wěn)定的溶膠。
[0007](2)將步驟(I)所述溶膠溶液在靜電紡絲發(fā)生裝置中于一定條件下進(jìn)行電紡。
[0008](3)將步驟(2)得到的電紡前驅(qū)納米纖維首先在馬弗爐中以200°C空燒，再將其放入管式爐中于氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下燒結(jié)，自然冷卻，即得到碳納米纖維。
[0009](4)稱取一定量硝酸鉍、碘化鉀，溶于乙二醇中配成溶液，將步驟(3)得到的碳納米纖維放入其中，再將上述溶液轉(zhuǎn)移到水熱反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放入鼓風(fēng)干燥箱中160°C保溫一定時(shí)間，冷卻、洗滌、干燥。
[0010]本發(fā)明中，步驟(I)中所述透明穩(wěn)定溶液指經(jīng)過6h磁力攪拌后溶液中無肉眼可見的不溶物質(zhì)；.步驟(2)中電紡過程必須在一定條件下進(jìn)行，其中包括:環(huán)境溫度大于20°C，濕度小于85%RH，紡絲電壓8~25 KV,針頭直徑0.6~1.2 mm，針頭與接收器距離15~25 cm;步驟(3)中在馬弗爐中焙燒過程采用階段程序升溫，先以5°C /min的加熱速率從室溫加熱至200°C，并保持30min以上，在管式中焙燒過程采用氮?dú)鈿夥毡簾?，先?°C /min的加熱速率從室溫加熱至200°C，然后繼續(xù)以10°C /min的加熱速率升溫至700~1200°C焙燒l~5h，最后自然冷卻到室溫；步驟(4)中硝酸鉍與碘化鉀的摩爾濃度必須一致，鼓風(fēng)干燥箱中反應(yīng)時(shí)間須大于6h。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
本發(fā)明方法采用靜電紡絲法和水熱反應(yīng)法為制備工藝，原料簡(jiǎn)單易得，整個(gè)反應(yīng)過程簡(jiǎn)單，操作方便，很容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的大規(guī)模生產(chǎn)，所得碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料均勻、連續(xù)，并具有加大的強(qiáng)度、韌性，呈幾厘米大小的塊狀，有效克服了納米粉體回收困難的缺點(diǎn)，其在可見光(λ >420nm)下對(duì)染料甲基橙的降解具有很好的催化效果。
【附圖說明】
[0012]圖1是制備的鉍-氧化鈦納米線的SEM圖。
[0013]圖2是制備的鉍-氧化鈦納米線的SEM圖。
[0014]圖3是制備的鉍-氧化鈦納米線的TEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。本發(fā)明的生產(chǎn)技術(shù)對(duì)本專業(yè)的人來說是容易實(shí)施的。本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件，或按照制造廠商所建議的條件。
實(shí)施例
[0016]用電子天平稱取0.6g聚丙烯腈(PAN)加入到裝有1g N-N 二甲基酰胺(DMF)的燒杯中，持續(xù)攪拌6小時(shí)，得到透明穩(wěn)定的溶膠。
[0017]將上述溶液移入靜電紡絲發(fā)生裝置中進(jìn)行電紡，在電放過程中，控制環(huán)境溫度35°C，濕度80%RH，電壓15KV，針頭直徑0.9mm，接收距離15cm。電紡過程結(jié)束后，得到電紡前驅(qū)納米纖維。
[0018]將得到的納米纖維用鑷子收集到坩堝中，放入馬弗爐，以5°C /min的加熱速率從室溫加熱至200°C，保溫lh，自然冷卻，將上述燒結(jié)后的納米線放入管式爐中，通入氮?dú)猓?0C /min的加熱速率從室溫加熱至200°C，然后繼續(xù)以10°C /min的加熱速率升溫至1000°C焙燒2h，最后自然冷卻到室溫，得到碳納米纖維。
[0019]稱取硝酸鉍(BiNO3.5H20)1.09g,碘化鉀(KI )0.37g，于40ml乙二醇中完全溶解后加入0.1g上述他納米纖維，將溶液轉(zhuǎn)移到50ml的水熱反應(yīng)釜中，放入鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)置鼓風(fēng)干燥箱溫度為160°C，保溫時(shí)間為12h，反應(yīng)完成后自然冷卻至室溫，打開反應(yīng)釜，分別用去離子水和酒精洗滌，冷凍干燥，即得到碘氧鉍-碳纖維復(fù)合材料。
[0020]材料的光催化性能測(cè)試
準(zhǔn)確稱量0.2 g的碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料加入500 ml甲基橙(MO)溶液(40mg/L)中，超聲分散；所得懸浮液避光攪拌I h使材料達(dá)到吸附平衡；平衡后取出3 ml懸浮液，將剩余懸浮液倒入500 ml石英管中，然后放入光催化反應(yīng)儀中；開啟150 W氙燈照射，每隔5 min取3 ml懸浮液于離心管中，總反應(yīng)時(shí)間120 min ;反應(yīng)結(jié)束,取出的各個(gè)樣品經(jīng)離心分離后，取上清液用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)其在465 nm左右的吸光度，從而反映各個(gè)降解時(shí)間段后剩余甲基橙的濃度，以此來反映本方法制得鉍-氧化鈦光催化劑降解甲基橙的效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于光催化的碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料，其特征在于該材料微觀結(jié)構(gòu)為直徑約200 nm的線狀結(jié)構(gòu)，且表面均勻生長(zhǎng)有碘氧鉍片狀結(jié)構(gòu)，宏觀結(jié)構(gòu)為絮狀。
2.如權(quán)利要求1所述的碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于具體合成步驟如下 (1)首先，將過氧乙酰硝酸酯(PAN)加入到N-N二甲基酰胺(DMF)中，磁力攪拌6小時(shí)以上，得到透明穩(wěn)定的溶膠； (2)將步驟(I)所述溶膠溶液在靜電紡絲發(fā)生裝置中于一定條件下進(jìn)行電紡； (3)將步驟(2)得到的電紡前驅(qū)納米纖維首先在馬弗爐中以200°C空燒，再將其放入管式爐中于氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下燒結(jié)，自然冷卻，即得到碳納米纖維； (4)稱取一定量硝酸鉍((BiN03)3.5H20)、碘化鉀(KI)，溶于乙二醇中配成溶液，將步驟(3 )得到的碳納米纖維放入其中，再將上述溶液轉(zhuǎn)移到水熱反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放入鼓風(fēng)干燥箱中160°C保溫一定時(shí)間，冷卻、洗滌、干燥。
3.如權(quán)利要求2所述的碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于碳纖維的制備采用一種靜電紡絲發(fā)生裝置進(jìn)行制備，該方法節(jié)能環(huán)保，條件易于控制，成本低廉，容易大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
4.如權(quán)利要求2所述的碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于步驟(1)中溶液必須持續(xù)攪拌至透明穩(wěn)定。
5.如權(quán)利要求2所述的碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于步驟(2)中電紡過程必須在一定條件下進(jìn)行，其中包括:環(huán)境溫度大于20°C，濕度小于85，紡絲電壓8~25KV，針頭直徑0.6-1.2mm，針頭與接收器距離15~25cm。
6.如權(quán)利要求2所述的碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于步驟(3)中在馬弗爐中焙燒過程采用階段程序升溫，先以5°C/min的加熱速率從室溫加熱至200°C并保持30min以上進(jìn)行預(yù)熱，然后放入管式爐中在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下以1~10°C /min的加熱速率升溫至7000~1200°C焙燒l~5h，最后自然冷卻到室溫。
7.如權(quán)利要求2所述的碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于步驟(4)中硝酸鉍與碘化鉀的摩爾濃度應(yīng)相等，在鼓風(fēng)干燥箱中的反應(yīng)時(shí)間大于等于6h。
【專利摘要】本發(fā)明碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料是將聚丙烯腈（PAN）、加入到N-N二甲基酰胺（DMF）中，磁力攪拌，得到透明穩(wěn)定的溶液在靜電紡絲發(fā)生裝置進(jìn)行電紡，得到的電紡前驅(qū)納米纖維首先在馬弗爐中進(jìn)行預(yù)熱再放入管式爐中于氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)，將所得的碳納米纖維和硝酸鉍((BiNO3)3·5H2O)、碘化鉀（KI）、乙二醇一起放入水熱反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，得到碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料。本方法所得碘氧鉍-碳纖維復(fù)合納米材料均勻、連續(xù)，并具有加大的強(qiáng)度、韌性，呈幾厘米大小的塊狀，有效克服了納米粉體回收困難的缺點(diǎn)，其在可見光（λ＞420nm）下對(duì)染料甲基橙的降解具有很好的催化效果，在污水處理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
【IPC分類】C02F1-30, B01J27-08, B01J35-06
【公開號(hào)】CN104646038
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510118808
【發(fā)明人】盧秋菊, 陳源, 陳俊芳, 張敏, 陳冬玲, 潘遠(yuǎn)均, 徐斌, 劉碧桃, 劉代軍, 涂銘旌
【申請(qǐng)人】重慶文理學(xué)院
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年3月18日