復(fù)合納米纖維光催化劑、制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維光催化劑，同時還涉及該光催化劑的制備方法和應(yīng)用，屬于納米光催化材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，T12在光催化降解污染物、光解水制氫氣、太陽能電池等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。T12是一種寬帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為3.0eV(金紅石相)和3.2eV(銳鈦礦相)。半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg越大，對應(yīng)產(chǎn)生的光生電子和空穴的氧化-還原電極電勢越高，半導(dǎo)體的氧化還原能力越強，也更容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。然而由于T12的禁帶寬度大，需要較高的能量激發(fā)(如紫外光，僅占太陽光的3%?4%)，大大限制了對太陽光的利用。加之T12在紫外光激發(fā)下產(chǎn)生的電子和空穴在到達催化劑表面之前極易在內(nèi)部發(fā)生復(fù)合，光催化效率難以有效發(fā)揮。
[0003]為提高T12對污染物的降解效率以及對太陽光的利用率，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種半導(dǎo)體復(fù)合在一起形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，有利于電子和空穴的分離，例如將Ti02、W03復(fù)合時，由于Ti02的導(dǎo)帶比WO3更負，而WO3的價帶比T12更正，在紫外光激發(fā)下T12的電子會轉(zhuǎn)移至WO3上，從而提高復(fù)合催化劑的氧化還原能力和污染物降解效率。同時由于電子從價帶躍迀到導(dǎo)帶所需的能量變低，更低的能量即可激發(fā)，拓寬了T12的光譜響應(yīng)范圍。如公告號CN103071482A的發(fā)明專利公開了一種W03/Ti02空心復(fù)合納米管，在T12納米管的外壁和內(nèi)壁分布有WO3納米粒子層，制備方法為:I)制備PVP/乙酸鈦復(fù)合物溶液的粘性凝膠;2)將礦物油加入凝膠中攪勻，靜電紡絲法制備T12纖維，再于真空下加熱升溫至550°C，保溫1min得到T12/非晶碳空心納米管;3)再于真空下采用熱蒸發(fā)法在T12/非晶碳空心納米管的內(nèi)外壁生長結(jié)晶碳化鎢納米粒子，加熱升溫至550°C，保溫120min，得到Ti02/W03空心復(fù)合納米管，該專利利用Ti02、W03在光催化反應(yīng)中需要的光譜不同，將二者有機結(jié)合起來形成Ti02/W03異質(zhì)結(jié)構(gòu)，能提高對太陽光的利用率，加之WO3納米顆粒均布在T12納米管內(nèi)外表面，大幅提高了材料的比表面積，能加快光催化反應(yīng)速率。然而其制備工藝復(fù)雜，光催化能力還有待進一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維光催化劑，以T12表面的碳層作為電子收集器，WO3作為空穴收集器，使光生載流子有效分離，從而增強光催化性能。
[0005]同時，本發(fā)明還提供一種碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維光催化劑的制備方法。
[0006]最后，本發(fā)明再提供一種碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維光催化劑的應(yīng)用。
[0007]為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0008]碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維光催化劑，其制備步驟如下:
[0009]I)將聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、鎢酸銨、鈦酸四丁酯(鈦酸丁酯)加入乙醇與乙酸的混合液中，混勻后靜電紡絲，得到納米纖維氈；
[0010]2)取納米纖維氈煅燒，得到Ti02/W03納米纖維；
[0011]3)將Ti02/W03納米纖維、葡萄糖、水加入反應(yīng)釜中，水熱反應(yīng)后過濾、洗滌、干燥，gp得。
[0012]步驟I)中乙醇與乙酸的體積比為8?12:4?8，二者均為分析純，作溶劑使用。
[0013]步驟I)中鎢酸銨與鈦酸四丁酯的質(zhì)量比為0.05?0.15:0.5?2，鎢酸銨在混合液中的質(zhì)量濃度為2%?7 %。
[0014]步驟I)中靜電紡絲的工藝參數(shù)為:電壓10?20kV，注射器到接收板的距離為10?15cm。在電場力的作用下納米纖維被收集在接收裝置上，形成納米纖維氈。
[0015]步驟2)中煅燒的溫度為500?600°C，時間30?60min。以除去PVP和其他有機成分。
[0016]步驟3)中Ti02/W03納米纖維、葡萄糖、水的質(zhì)量比為0.02?0.05:0.1?0.5:30?50 ο
[0017]步驟3)中水熱反應(yīng)的溫度為150?200°C，時間3?5h。
[0018]碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維光催化劑的制備方法，包括以下步驟:
[0019]I)將聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、鎢酸銨、鈦酸四丁酯(鈦酸丁酯)加入乙醇與乙酸的混合液中，混勻后靜電紡絲，得到納米纖維氈；
[0020]2)取納米纖維氈煅燒，得到Ti02/W03納米纖維；
[0021]3)將Ti02/W03納米纖維、葡萄糖、水加入反應(yīng)釜中，水熱反應(yīng)后過濾、洗滌、干燥，SP得。
[0022]步驟I)中乙醇與乙酸的體積比為8?12:4?8。
[0023]步驟I)中鎢酸銨與鈦酸四丁酯的質(zhì)量比為0.05?0.15:0.5?2，鎢酸銨在混合液中的質(zhì)量濃度為2%?7 %。
[0024]步驟I)中靜電紡絲的工藝參數(shù)為:電壓10?20kV，注射器到接收板的距離為10?15cm0
[0025]步驟2)中煅燒的溫度為500?600°C，時間30?60min。
[0026]步驟3)中Ti02/W03納米纖維、葡萄糖、水的質(zhì)量比為0.02?0.05:0.1?0.5:30?50 ο
[0027]步驟3)中水熱反應(yīng)的溫度為150?200 °C，時間3?5h。
[0028]碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維光催化劑的應(yīng)用，具體為在光催化分解水產(chǎn)氫方面的應(yīng)用。
[0029]本發(fā)明的有益效果:
[0030]本發(fā)明通過碳來修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維，以T12表面的碳層作為電子收集器，TO3作為空穴收集器，能使光生載流子有效分離，增強材料的光催化性能。加之WO3能夠促進碳層的有序化和石墨化，能進一步增強其光催化性能。
[0031]本發(fā)明中碳修飾Ti02/W03光催化劑為由一維納米纖維構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠提高光催化劑的分離回收和重復(fù)使用性。
[0032]本發(fā)明中碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維光催化劑的制備工藝簡單，操作簡便，適于規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用。
【附圖說明】
[0033]圖1為試驗例I中光催化劑的紫外-可見漫反射吸收光譜圖；
[0034]圖2為試驗例2中光催化劑的產(chǎn)氫速率圖。
【具體實施方式】
[0035]下述實施例僅對本發(fā)明作進一步詳細說明，但不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。
[0036]實施例1
[0037]碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維光催化劑，其制備步驟如下:
[0038]I)在1mL乙醇與6mL乙酸的混合液中加入1.1g聚乙烯吡咯烷酮，攪拌均勻后加入0.05g鎢酸銨和2mL鈦酸四丁酯，在轉(zhuǎn)速600rpm下攪拌12h得前驅(qū)體溶液，將其加入電紡設(shè)備(康森特1006型)中，設(shè)定高壓電場電壓12kV，注射器到接收板的距離15cm，在電場力的作用下納米纖維被收集在接收裝置上，形成納米纖維氈；
[0039]2)取納米纖維氈在溫度520°C下煅燒30min，得到Ti02/W03納米纖維；
[0040]3)將20mg Ti02/W03納米纖維和0.45g葡萄糖加入含有30mL去離子水的水熱反應(yīng)釜中，于溫度180°C下水熱反應(yīng)4h，反應(yīng)完畢抽濾、洗滌、干燥，得到碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維光催化劑。
[0041 ] 取上述碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維20mg，加入到45mL去離子水和15mL甲醇的混合溶液中，在350W氣燈(上海藍晟電子)下光照2h，光催化分解水產(chǎn)氫。
[0042]實施例2
[0043]碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維光催化劑，其制備步驟如下:
[0044]I)在1mL乙醇與6mL乙酸的混合液中加入1.1g聚乙烯吡咯烷酮，攪拌均勻后加入
0.仏鎢酸銨和21^鈦酸四丁酯，在轉(zhuǎn)速600印111下攪拌1211得前驅(qū)體溶液，將其加入電紡設(shè)備(康森特1006型)中，設(shè)定高壓電場電壓12kV，注射器到接收板的距離15cm，在電場力的作用下納米纖維被收集在接收裝置上，形成納米纖維氈；
[0045]2)取納米纖維氈在溫度520°C下煅燒30min，得到Ti02/W03納米纖維；
[0046]3)將20mg Ti02/W03納米纖維和0.15g葡萄糖加入含有30mL去離子水的水熱反應(yīng)釜中，于溫度180°C下水熱反應(yīng)4h，反應(yīng)完畢抽濾、洗滌、干燥，得到碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維光催化劑。
[0047]取上述碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維20mg，加入到45mL去離子水和15mL甲醇的混合溶液中，在350W氣燈(上海藍晟電子)下光照2h，光催化分解水產(chǎn)氫。
[0048]實施例3
[0049]碳修飾Ti02/W03復(fù)合納米纖維光催化劑，其制備步驟如下:
[0050]I)在1mL乙醇與6mL乙酸的混合液中加入1.1g聚乙烯吡咯烷酮，攪拌均勻后加入
0.15g鎢酸銨和2mL鈦酸四丁酯，在轉(zhuǎn)速600rpm下攪拌12h得前驅(qū)體溶液，將其加入電紡設(shè)備(康森特1006型)中，設(shè)定高壓電場電壓12kV，注射器到接收板的距離15cm，在電場力的作用下納米纖維