/CuO/Cu全介孔納米纖維在光催化劑中的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高純度Ti02/Cu0/Cu全介孔納米纖維在光催化劑中的應(yīng)用，屬于納米纖維技術(shù)領(lǐng)域和光催化劑技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)境污染和能源危機(jī)的日益加劇，已經(jīng)嚴(yán)重制約了人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)和利用可再生能源成為了全球共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。太陽(yáng)能是人類可利用最為豐富的能源供給，有效開發(fā)和利用太陽(yáng)能成為了目前研究者們最為關(guān)注的研究議題。光催化技術(shù)是利用半導(dǎo)體光催化劑吸收太陽(yáng)能分解水制氫或是降解有毒的污染物，具有反應(yīng)條件溫和、無(wú)二次污染和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，成為了太陽(yáng)能開發(fā)和利用的一個(gè)重要技術(shù)手段。光催化技術(shù)的核心是光催化劑的研制，其中T12納米粉體如P25是目前最為常用的光催化劑，因其無(wú)毒、便宜等優(yōu)點(diǎn)而受到了研究者們的青睞。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，有兩個(gè)問(wèn)題仍然制約著1102納米粉體光催化劑的廣泛應(yīng)用:1)光催化反應(yīng)中光生電子-空穴對(duì)易復(fù)合，光催化效率較低；2)傳統(tǒng)的1102納米粉體光催化劑存在比表面積偏低，而且在液相光催化體系下納米顆粒容易團(tuán)聚，無(wú)法保證穩(wěn)定高效的光催化活性。
[0003]銅氧化物的代表CuO屬于P型半導(dǎo)體，而且其帶隙較窄，與η型的T12復(fù)合后形成ρ-η型的T12-CuO光催化劑，紫外光激發(fā)時(shí)，從T12價(jià)帶(VB)上躍迀的受激電子，易與其導(dǎo)帶(CB)接近的CuO的空穴結(jié)合，具有強(qiáng)還原性激發(fā)電子和強(qiáng)氧化性的空穴分別保持在CuO的導(dǎo)帶(CB)和T12的價(jià)帶(VB)上，實(shí)現(xiàn)了光生電子和空穴的有效分離。此外，單質(zhì)Cu修飾T12亦可有效延長(zhǎng)光生載流子的壽命，強(qiáng)化其光催化性能。全介孔結(jié)構(gòu)的納米纖維光催化劑具有典型的中孔構(gòu)造和一維結(jié)構(gòu)，賦予其高比表面和穩(wěn)定的幾何結(jié)構(gòu)，在光催化反應(yīng)中能夠保持高效穩(wěn)定的光催化活性。因此，基于以上討論，如能探索一種有效的方法制備Ti02/Cu0/Cu光催化劑，將有望解決目前傳統(tǒng)1102納米粉體光催化劑存在的主要問(wèn)題，有力推動(dòng)光催化技術(shù)在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)存在上述問(wèn)題，提出了一種可有效應(yīng)用在光催化劑中的高純度全介孔結(jié)構(gòu)的Ti02/Cu0/Cu納米纖維，且其催化活性高效、穩(wěn)定。
[0005]本發(fā)明的目的可通過(guò)下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):高純度Ti02/Cu0/Cu全介孔納米纖維在光催化劑中的應(yīng)用，所述納米纖維主要組成元素為T1、0、Cu，主要表現(xiàn)形式為Ti02、CuO,Cu，所述納米纖維具有多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔結(jié)構(gòu)的孔包括介孔。
[0006]作為優(yōu)選，所述納米纖維具有多孔結(jié)構(gòu)且所述多孔結(jié)構(gòu)的孔均為全介孔。
[0007]作為優(yōu)選，所述納米纖維的比表面積為15-40m2/g，孔徑值為30_45nm。
[0008]高純度Ti02/Cu0/Cu全介孔納米纖維在光催化劑中的應(yīng)用為將高純度Ti02/Cu0/Cu全介孔納米纖維分散于分解物質(zhì)中在光照射下發(fā)生催化反應(yīng)，其中分解物質(zhì)為含水和降解物質(zhì)的物質(zhì)。
[0009]作為優(yōu)選，所述水與降解物質(zhì)的體積比為2-5:1。
[0010]進(jìn)一步優(yōu)選，所述降解物質(zhì)為有機(jī)質(zhì)。
[0011]再進(jìn)一步優(yōu)選，所述有機(jī)質(zhì)為甲醇。
[0012]上述高純度Ti02/Cu0/Cu全介孔納米纖維可通過(guò)如下制備方法制得:
[0013]配制前驅(qū)體紡絲液；
[0014]將前驅(qū)體紡絲液進(jìn)行靜電紡絲得到有機(jī)前驅(qū)體納米纖維；
[0015]將有機(jī)前驅(qū)體納米纖維經(jīng)高溫煅燒，即可得Ti02/Cu0/Cu全介孔納米纖維。
[0016]在上述高純度Ti02/Cu0/Cu全介孔納米纖維的制備方法中，所述配制前驅(qū)體紡絲液的方法為:將聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和鈦酸丁酯(TBOT)溶解于溶劑中，攪拌均勻，然后加入發(fā)泡劑和乙酸銅并繼續(xù)攪拌得前驅(qū)體紡絲液。
[0017]前驅(qū)體紡絲液的濃度主要是通過(guò)影響溶液粘度影響纖維的形貌及直徑。若前驅(qū)體紡絲液的濃度過(guò)低，在靜電紡絲中，溶液粘度極低，很難維持噴絲細(xì)流的連續(xù)性，不能形成穩(wěn)定的流體，而形成了噴射液滴，因此得到呈不規(guī)則塊狀體納米纖維，沒有纖維出現(xiàn)。若前驅(qū)體紡絲液的濃度過(guò)高，纖維有粗有細(xì)，分布不均勻，甚至出現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象，其原因在于，聚合物分子之間相互作用開始影響聚合物鏈的運(yùn)動(dòng)，聚合物分子鏈相互纏結(jié)，若濃度繼續(xù)增加，聚合物相互交穿，形成凍膠。高濃度的流體在針頭迅速干燥以及聚合物形成凍膠引起的流體在針頭流動(dòng)的不穩(wěn)定，難于維持噴絲細(xì)流，同時(shí)造成噴頭粘連，使靜電紡絲無(wú)法進(jìn)行。因此，在配制前驅(qū)體紡絲液中，需要控制好各原料之間的質(zhì)量關(guān)系，從而使前驅(qū)體紡絲液達(dá)到合適的濃度，進(jìn)而形成很好纖維形貌，直徑分布均勻的納米纖維。在上述前驅(qū)體紡絲液的配制中TBOT提供Ti源供T12合成，PVP調(diào)控紡絲液的粘度，在后續(xù)的煅燒處理中分解揮發(fā)完全，發(fā)泡劑在煅燒處理過(guò)程中分解釋放出大量的氣體對(duì)纖維基體進(jìn)行造孔。
[0018]作為優(yōu)選，配制前驅(qū)體紡絲液的方法中所述的溶劑為無(wú)水乙醇和冰醋酸的混合液。
[0019]進(jìn)一步優(yōu)選，配制前驅(qū)體紡絲液的方法中所述的無(wú)水乙醇和冰醋酸的體積比為2-3:10
[0020]作為優(yōu)選，配制前驅(qū)體紡絲液的方法中所述的發(fā)泡劑為偶氮二甲酸二異丙酯(DIPA)。本發(fā)明納米纖維采用發(fā)泡輔助靜電紡絲法制成全介孔結(jié)構(gòu)，其中DIPA作為發(fā)泡劑加入可實(shí)現(xiàn)纖維基體造孔的目的。
[0021]在上述高純度Ti02/Cu0/Cu全介孔納米纖維的制備方法中，所述靜電紡絲的方法為:將前驅(qū)體紡絲液注入針管內(nèi)，并置于靜電紡絲機(jī)，金屬針頭作電紡絲陽(yáng)極，錫箔或鐵絲網(wǎng)作接收材料的陰極，在高壓下進(jìn)行靜電紡絲，然后從鐵絲網(wǎng)上收集得到有機(jī)前驅(qū)體納米纖維。
[0022]靜電紡絲是一個(gè)簡(jiǎn)單、靈活的制備纖維技術(shù)，其基本原理為:在高壓電場(chǎng)的作用下，懸于毛細(xì)管出口的前驅(qū)體紡絲液滴變形為泰勒錐。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步提高，當(dāng)液滴表面由于所帶電荷形成的靜電排斥力超過(guò)其本身的表面張力時(shí)，在泰勒錐的頂端形成液體細(xì)流，帶有電荷的液體細(xì)流在電場(chǎng)中流動(dòng)，進(jìn)一步受到拉伸作用，同時(shí)溶劑蒸發(fā)(或熔體冷卻)，成為纖維并沉積在接收裝置上，形成有機(jī)前驅(qū)體纖維材料。在靜電紡絲過(guò)程中，影響纖維性能的電紡參數(shù)主要有:前驅(qū)體紡絲液的濃度、紡絲電壓、陽(yáng)極與陰極之間的距離和溶液流速等。
[0023]作為優(yōu)選，靜電紡絲中前驅(qū)體紡絲液注入針管內(nèi)的注射速度為0.8-1.2ml/ho
[0024]作為優(yōu)選，靜電紡絲時(shí)的條件為:所述陽(yáng)極與陰極之間的距離為18cm-22cm，所述高壓為18kV-22kV。隨著陽(yáng)極與陰極之間接收距離的變化，納米纖維的形態(tài)也發(fā)生了變化，在不考慮其他因素的情況下，接收距離過(guò)小會(huì)產(chǎn)生“念珠狀”纖維緊貼在陰極，進(jìn)而影響納米纖維的性質(zhì)。電壓小于ISkV時(shí)，大部分前驅(qū)體紡絲液滴落在收集的鐵絲網(wǎng)上，靜電紡絲不能進(jìn)行；當(dāng)電壓高于22kV時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈的電暈放電，靜電紡絲則不能繼續(xù)進(jìn)行。前驅(qū)體紡絲液在18kV-22kV高壓的靜電紡絲中，纖維平均直徑隨著紡絲電壓的增大而增大。
[0025]作為優(yōu)選，靜電紡絲中所述從錫箔或鐵絲網(wǎng)上收集得到有機(jī)前驅(qū)體納米纖維還需要進(jìn)行干燥處理。進(jìn)一步優(yōu)選，所述干燥的溫度為50-70°C。
[0026]在上述高純度Ti02/Cu0/Cu全介孔納米纖維的制備方法中，所述高溫煅燒的溫度為540-560°C，保溫時(shí)間為l_3h。
[0027]作為優(yōu)選，為了提高納米纖維的結(jié)晶度，步驟(2)中的煅燒處理在空氣氣氛下進(jìn)行。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0029]1、本發(fā)明Ti02/Cu0/Cu全介孔納米纖維可有效地應(yīng)用在光催化劑中，作光解水制氣，具有尚效性和穩(wěn)定性。
[0030]2、本發(fā)明納米纖維為具有全介孔結(jié)構(gòu)的三元體系的復(fù)合納米纖維，即Ti02/Cu0/Cu納米纖維。
[0031]3、在制備納米纖維中通過(guò)調(diào)控原料成份，有效調(diào)控Ti02/Cu0/Cu全介孔納米纖維的結(jié)構(gòu)。
[0032]4、本發(fā)明Ti02/Cu0/Cu全介孔納米纖維的制備方法簡(jiǎn)單可控。
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制得的有機(jī)前驅(qū)體納米纖維的低倍掃描電鏡(SEM)圖。
[0034]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制得的納米纖維的低倍掃描電鏡(SEM)圖。
[0035]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制得的納米纖維的高倍掃描電鏡(SEM)圖。
[0036]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1制得的納米纖維的X射線衍射(XRD)圖。
[0037]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1制得的納米纖維的X射線衍射(XRD)區(qū)域放大圖。
[0038]圖6為本發(fā)明實(shí)