全介孔纖維材料高效光催化劑的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種光催化劑，特別是一種BiV04全介孔纖維材料高效光催化劑。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染的日益加劇已經(jīng)嚴(yán)重制約了人類經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展，如何解決環(huán)境污染問題成為了全球共同關(guān)注的熱點問題之一。作為一個可行和理想的解決環(huán)境問題的策略，半導(dǎo)體光催化技術(shù)來降解有機(jī)物已經(jīng)吸引了成為了研究熱點。光催化技術(shù)是利用半導(dǎo)體光催化劑吸收太陽能降解有毒的污染物，具有反應(yīng)條件溫和、無二次污染和成本低廉等優(yōu)點，成為了解決環(huán)境問題的一個重要技術(shù)手段。釩酸鉍(BiV04)一維納米材料因其具有無毒、化學(xué)穩(wěn)點性好、及其特定的幾何形態(tài)在構(gòu)筑納米電子器件領(lǐng)域擔(dān)當(dāng)重要的角色。全介孔結(jié)構(gòu)的BiV04納米纖維在繼承傳統(tǒng)一維納米材料優(yōu)點的同時，又具備獨特的高比表面積和大孔容性質(zhì)，在催化、能源、傳感、醫(yī)療等領(lǐng)域，具有更加廣泛的應(yīng)用價值。
[0003]光催化技術(shù)的核心是光催化劑的研制，其中傳統(tǒng)靜電紡絲BiV04納米纖維是作為光催化劑，因其無毒、便宜和量產(chǎn)大等優(yōu)點而受到了研究者們的青睞。然而，在實際應(yīng)用中，有兩個問題仍然制約著傳統(tǒng)BiV04納米纖維光催化劑的廣泛應(yīng)用:1)光催化反應(yīng)中光生電子-空穴對易復(fù)合，光催化效率較低;2)傳統(tǒng)的BiV04納米纖維光催化劑存在比表面積偏低，導(dǎo)致在液相光催化體系下無法與污染物充分接觸，無法保證穩(wěn)定高效的光催化活性。
[0004]自從太陽能清潔能源的使用得到廣泛關(guān)注以來，可見光催化劑的發(fā)展就得到越來越多的重視。因此，尋找一種具有更高光催化活性且能夠在日常生活中具有較大使用價值的光催化劑成為當(dāng)今世界上光催化劑發(fā)展的一個重要方向。目前，二氧化鈦光催化劑被認(rèn)為是一種具有良好光催化性能的光催化劑，其在光解有機(jī)污染物和太陽能電池領(lǐng)域已經(jīng)取得良好的應(yīng)用。然而由于其僅能在紫外光區(qū)域下才具有光催化活性，故增加了其應(yīng)用的局限性。釩酸鉍是一種新型的可見光催化劑，其不僅在紫外光區(qū)域中擁有良好地光催化活性，而且在可見光下能夠發(fā)生光催化反應(yīng)。但其也擁有諸多缺點，因為釩酸鉍的導(dǎo)帶較低，其不能滿足可見光水解反應(yīng)中H+的還原電位，因為釩酸鉍在光催化反應(yīng)中電子與空穴結(jié)合速率快，電子傳輸速度較慢，從而影響了釩酸鉍的光催化活性。
[0005]與傳統(tǒng)的無介孔靜電紡絲BiV04納米纖維相比，一維BiV04全介孔納米纖維擁有很多優(yōu)良的特點，例如，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。在纖維內(nèi)部，介孔纖維擁有很多的介孔通道，在液相光催化降解體系下，將會有更多的污染物負(fù)載在纖維介孔通道上，促使光降解反應(yīng)及時進(jìn)行，降低了光催化反應(yīng)中光生電子-空穴對易復(fù)合，這會極大地提高光催化效率。因此，基于以上討論，如能探索一種有效的方法制備全介孔BiV04納米纖維光催化劑，將有望解決目前傳統(tǒng)的無介孔靜電紡絲BiV04納米纖維光催化劑存在的主要問題，有力推動光催化技術(shù)在污染物降解領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0006]然而，從實際應(yīng)用和商業(yè)化的角度考慮，全介孔結(jié)構(gòu)的BiV04納米纖維仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)控，以求通過方便快捷的技術(shù)獲得性能得到強(qiáng)化的BiV04材料。近期研究報道表明，一維全介孔結(jié)構(gòu)的BiV(k納米材料具有低密度以及較大的比表面積等新穎特性，因而如果能夠有效地在制備全介孔BiV04纖維的同時，實現(xiàn)對全介孔一維纖維材料制備的調(diào)控，將協(xié)同提高BiV04材料的滲透性和吸附性，作為催化劑如光催化劑等領(lǐng)域具有十分誘人的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種BiV04全介孔纖維材料高效光催化劑，提供了一種具有較高規(guī)整結(jié)晶性的BiV04纖維材料，具有良好的微孔分布性，同時具有良好的微孔結(jié)構(gòu)精細(xì)可控性。并且其加工方法具有安全性好，成本可控性好，對產(chǎn)品的加工可控性好，對微孔的分布和尺寸調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)調(diào)控，得到的催化劑具有高效的光催化活性。
[0008]本發(fā)明公開的BiV04全介孔纖維材料高效光催化劑，包括纖維材料，纖維材料其組成元素包括B1、V、0三種元素，維材料表面具有多孔結(jié)構(gòu)，纖維材料中包括單斜Bi V04晶體。
[0009]本發(fā)明公開的BiV04全介孔纖維材料高效光催化劑的一種改進(jìn)，纖維材料為單斜BiV04材料。
[0010]本發(fā)明公開的BiV04全介孔纖維材料高效光催化劑的一種改進(jìn)，纖維材料具有所以孔均為的介孔多孔結(jié)構(gòu)。
[0011]本發(fā)明公開的BiV04全介孔纖維材料高效光催化劑的一種改進(jìn)，纖維材料的制備方法，包括如下步驟，1)、前軀體紡絲液制備;2)、前軀體纖維制備;3)、熱解制備全介孔纖維材料；
[0012]其中，步驟3)熱解制備全介孔纖維材料為將步驟2)制得的前軀體纖維在空氣環(huán)境下煅燒。本方案為了提高BiV04材料的結(jié)晶度，從而選用在空氣氣氛下進(jìn)行煅燒處理。
[0013]本發(fā)明公開的BiV04全介孔纖維材料高效光催化劑的一種改進(jìn)，步驟1)中前軀體紡絲液制備為將原料(以占混合溶劑總量的質(zhì)量百分比計量)8-12%聚乙烯吡咯烷酮、15-18%五水合硝酸鉍、8-10 %乙酰丙酮氧釩和偶氮二甲酸二異丙酯溶于N-N 二甲基甲酰胺、無水乙醇和冰醋酸混合溶劑中形成混合溶液，其中偶氮二甲酸二異丙酯在混合溶液中含量為0-20wt%。本方案中PVP調(diào)控紡絲液的粘度且將在煅燒處理的過程中分解完全揮發(fā)；Bi(N03)3.5H20提供Bi源;VO(acac)2提供V源;DIPA為發(fā)泡劑，在煅燒處理的過程中釋放出大量的氣體實現(xiàn)對纖維基體造孔的目的;DMF作用為乙酰丙酮氧釩的溶劑；乙醇作用為五水合硝酸鉍的溶劑;冰醋酸共同作為溶劑的同時，也為靜電紡絲溶液提供了醋酸根離子以提高可紡性能，從而在紡絲的過程中，由于靜電力的作用發(fā)泡劑(DIPA)均勻地分布于前驅(qū)體內(nèi)部，經(jīng)煅燒處理后分解揮發(fā)供全介孔結(jié)構(gòu)的形成;隨著發(fā)泡劑含量的不同，最終形成不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的BiV04全介孔納米纖維材料。發(fā)泡劑添加過少，纖維雖然具有介孔結(jié)構(gòu)，但是形貌和結(jié)構(gòu)不是太好，且不易獲得全介孔纖維，而發(fā)泡劑添加過大，則易導(dǎo)致纖維破裂，難以保持較好的纖維結(jié)構(gòu)。
[0014]本發(fā)明公開的BiV04全介孔纖維材料高效光催化劑的一種改進(jìn)，步驟1)中前軀體紡絲液制備為將原料聚乙烯吡咯烷酮、五水合硝酸鉍、乙酰丙酮氧釩、偶氮二甲酸二異丙酯溶于無水乙醇和冰醋酸混合溶劑中并常溫攪拌4-8小時后，再加入偶氮二甲酸二異丙酯混勻。
[0015]本發(fā)明公開的BiV04全介孔纖維材料高效光催化劑的一種改進(jìn)，步驟2)中前軀體纖維制備為將前軀體紡絲液經(jīng)靜電紡絲得到纖維再恒溫烘干，恒溫烘干的溫度為70-100°C。靜電紡絲時接收陰極為錫箔陰極或者其它材質(zhì)的導(dǎo)電陰極。靜電紡絲時的溫度為20-55°C，濕度為 15-60 %。
[0016]本發(fā)明公開的BiV04全介孔纖維材料高效光催化劑的一種改進(jìn)，步驟2)中前軀體纖維制備中靜電紡絲時靜電場的場強(qiáng)為0.5-lKV/cm。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0018]1.本發(fā)明實現(xiàn)了 BiV04全介孔納米纖維材料介孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控；
[0019]2.鑒于實驗方案中選用發(fā)泡劑，容易在靜電力的作用被均勻地分布于前驅(qū)體內(nèi)部，因而能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定形貌良好的BiV04全介孔納米纖維的有效合成；
[0020]3.本發(fā)明方案中選用發(fā)泡劑，隨著發(fā)泡劑的含量增加，紡絲液的粘度也會隨之降低，進(jìn)而需要對紡絲溫度和濕度進(jìn)行調(diào)控，從而達(dá)到精密控制纖維上介孔形態(tài)的目的。溶液溫度對靜電紡絲過程的影響表現(xiàn)在:升高靜電紡絲的環(huán)境溫度會加快射流中分子鏈的運動，提高了溶液的電導(dǎo)率;其次，升高靜電紡絲的環(huán)境溫度降低了溶液的粘度和表面張力，使得發(fā)泡劑添加量在5_10wt%以上在室溫下不能靜電紡絲的聚合物溶液，在升高環(huán)境溫度以后能夠進(jìn)行靜電紡絲。在靜電紡絲過程中，射流的泰勒錐表面形成，并迅速向接收極板運動，溶劑在極短的時間內(nèi)迅速揮發(fā)，射流固化成聚合物纖維。一般靜電紡絲環(huán)境下，射流周圍的介質(zhì)均為空氣，射流中溶劑與周圍介質(zhì)的交換是一個雙擴(kuò)散過程。射流表面的溶劑揮發(fā)，其內(nèi)部溶劑中心向表面擴(kuò)散，射流表面溶劑的揮發(fā)速度和內(nèi)部擴(kuò)散速度之間的競爭關(guān)系能夠影響纖維的形態(tài)。因此，環(huán)境濕度對靜電紡絲的纖維直徑以及形貌的有很大的影響。在本發(fā)明中，隨著發(fā)泡劑含量的增加，溶液的粘度不斷降低，靜電紡絲過程中，如果溶劑不能及時的揮發(fā)，那么會導(dǎo)致靜電紡絲形貌的改變(如結(jié)塊，球狀等)。所以，隨著發(fā)泡劑在靜電紡絲液中的不斷添加，紡絲過程中的環(huán)境溫度和環(huán)境濕度的要求將不斷提高。
[0021]4.本發(fā)明通過調(diào)控發(fā)泡劑的含量，能夠有效實現(xiàn)全介孔納米纖維的調(diào)控；
[0022]5.本工藝簡單可控，具有很好的重復(fù)性，實施方便，安全性好，且操作方便，環(huán)境友好性好；
[0023]6.本發(fā)明方案得到的光催化劑具有良好的穩(wěn)定性和催化性能，催化效率高。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明實施例4所制得的BiV04全介孔納米纖維光催化劑低倍掃描電鏡(SEM)圖;
[0025]圖2為本發(fā)明實施例4所制得的BiV04全介孔納米纖維光催化劑高倍掃描電鏡(SEM)圖;