專利名稱：一種銳鈦礦型二氧化鈦納米纖維光催化劑及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料和光催化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種納米纖維光催化劑及制備方法，特別是一種銳鈦礦型二氧化鈦納米纖維光催化劑及制備方法。
背景技術(shù)：
自1972年Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)二氧化鈦?zhàn)鳛楣怆婈枠O有輔助分解水的作用以來，二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N非常有應(yīng)用前景的寬帶隙半導(dǎo)體材料，一直以來都備受關(guān)注。二氧化鈦因有非常優(yōu)越的物理化學(xué)性能，比如熱穩(wěn)定性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，環(huán)境友好以及低毒性，而且價(jià)格低廉，在光伏領(lǐng)域、光催化領(lǐng)域以及傳感器領(lǐng)域等領(lǐng)域具有廣譜的應(yīng)用前景。近年來，二氧化鈦在光催化領(lǐng)域的研究和應(yīng)用一直方興未艾，尤其是在光催化應(yīng)用領(lǐng)域。由于二氧化鈦本身只對(duì)中長(zhǎng)紫外線有較好的吸收，因此在光催化過程中需要在紫外燈照射下才能達(dá)到比較高的催化降解效率，這樣反而增加了經(jīng)濟(jì)成本，不適宜大規(guī)模的使用。 因此，尋求高催化效率或者利用可見光來啟動(dòng)整個(gè)光催化過程的二氧化鈦材料成為解決這一問題的方法。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，納米科學(xué)技術(shù)和靜電紡絲技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為二氧化鈦在光催化領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的發(fā)展方向。近年來，靜電紡絲技術(shù)已得到研究學(xué)者和科學(xué)家的高度重視，已經(jīng)成為制備一維無機(jī)納米纖維的重要方法之一。靜電紡絲法制備二氧化鈦納米纖維由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已成為一個(gè)重要的研究課題。靜電紡二氧化鈦納米纖維作為光催化材料和傳統(tǒng)的二氧化鈦材料相比，具有以下優(yōu)勢(shì)(I)制備方法簡(jiǎn)單有效，可以顯著降低成本；(2)材料的有效比表面積大，在等量的材料下能夠降解更多的污染物；(3)獲得結(jié)晶度高的二氧化鈦，無團(tuán)聚現(xiàn)象，顆粒度小且均勻，可能產(chǎn)生表面效應(yīng)和量子效應(yīng)，增加其光催化活性；(4)相比納米粉體或顆粒，以纖維形式直接應(yīng)用于廢水處理，更易于分離回收，降低運(yùn)行費(fèi)用。因此，二氧化鈦納米纖維用于光催化領(lǐng)域可以改善傳統(tǒng)二氧化鈦材料的缺陷，獲得更好地應(yīng)用前景，是光催化材料發(fā)展的一個(gè)重要方向。目前二氧化鈦光催化材料及制備方法很多，且制備出不同維度的納米二氧化鈦材料，但其中利用靜電紡絲法制備的二氧化鈦納米纖維由于其制備方法簡(jiǎn)單，纖維結(jié)構(gòu)更具地應(yīng)用前景而成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前也有很多利用靜電紡絲技術(shù)制備二氧化鈦納米纖維的文獻(xiàn)報(bào)道，有的是將納米二氧化鈦分散到高分子溶液中，但這種方法往往造成顆粒的分布不均。有的是將二氧化鈦溶膠加到高分子溶液中，但是利用了靜電紡絲法結(jié)合溶膠-凝膠法制備二氧化鈦納米纖維，而這樣制備出的納米纖維上二氧化鈦顆粒度大小不均，且較大，結(jié)晶度不好控制，而且整個(gè)制備工藝中又引入了溶膠-凝膠技術(shù)的工藝參數(shù)， 使得影響最終產(chǎn)物的因素增加了許多，增加了工藝調(diào)整的難度。本發(fā)明則直接利用靜電紡絲法制備二氧化鈦納米纖維，而中間沒有引入溶膠-凝膠技術(shù)，使得工藝參數(shù)更易調(diào)控，省去了影響最終二氧化鈦納米纖維結(jié)晶度、晶型以及顆粒度分布和大小的很多因素，更利于得到高效的光催化材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是優(yōu)化靜電紡絲法制備二氧化鈦納米纖維的工藝參數(shù)，以便得到更加簡(jiǎn)單有效的加工工藝，并且制備出顆粒度小且均勻，結(jié)晶度高的二氧化鈦納米纖維，以提高其光催化效率，同時(shí)該方法縮減了加工工藝、降低了成本、工藝簡(jiǎn)單易調(diào)控以及產(chǎn)率高， 便于進(jìn)一步擴(kuò)大化生產(chǎn)加工。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為，首先利用靜電紡絲技術(shù)制備PVP/TBT復(fù)合納米纖維膜，然后將PVP/TBT復(fù)合納米纖維膜放在馬弗爐中在空氣中煅燒，得到二氧化鈦納米纖維材料。具體步驟如下(I)稱取一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于無水乙醇中配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 7% 24%的乙醇溶液，然后將鈦酸四正丁酯(TBT)按PVP/TBT = I 9,2 8,3 7加入上述溶液中，在室溫下用磁力攪拌器攪拌4 6h至完全溶解得到透明溶液。(2)將上述溶液裝入帶有磨平不銹鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上，設(shè)置好靜電紡絲參數(shù)紡出均勻的復(fù)合納米纖維膜，紡絲條件紡絲電壓10 20kV， 接收裝置與噴絲頭之間的距離為15 25cm，紡絲液流速為0. 5 2. OmL/h。(3)將制備出得復(fù)合納米纖維膜放在馬弗爐中，在空氣氛中煅燒，從室溫升溫到 400 800°C，升溫速率0. 5 5°C /min，煅燒時(shí)間為2 5h，在空氣氛中自然冷卻到室溫， 即得到二氧化鈦納米纖維。本發(fā)明由于沒有采用溶膠-溶膠法和靜電紡絲法相結(jié)合的工藝，從而優(yōu)化了制備二氧化鈦納米纖維的工藝過程，使得制備出二氧化鈦納米纖維上顆粒度大小均勻，結(jié)晶度高，纖維直徑小，增加了材料的比表面積，從而增強(qiáng)了其光催化效率。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I.本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單易調(diào)控，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本，便于進(jìn)一步擴(kuò)大化生產(chǎn)。2.本發(fā)明所制備出的材料結(jié)晶度高，顆粒度均勻且小，纖維直徑小，有助于提高材料的比表面積。3.本發(fā)明所制備的材料用作光催化材料，具有在可見光下較高的催化效率，滿足新一代二氧化鈦光催化材料的發(fā)展要求。


圖I銳鈦礦型二氧化鈦納米纖維的掃描電子顯微鏡圖片。圖2銳鈦礦型二氧化鈦納米纖維的光催化效果曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I分別稱取PVP 0.76g、TBT 6. 8Ig (PVP/TBT = I 9) ；PVP I. 70g、TBT 6. 81g(PVP/ TBT = 2 8) ；PVP 2. 92g、TBT 6. 8Ig (PVP/TBT = 3 7)，然后分別加入到 3 份 9. 21g 無水乙醇溶液中，加入磁性攪拌子，調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，在室溫下攪拌4 6h。所配制的上述紡絲液裝入帶有磨平不銹鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上，在紡絲電壓10kV，接收裝置與噴絲頭之間的距離為15cm，紡絲液流速為0. 5mL/h的工藝條件下，紡絲10h，得到PVP/TBT復(fù)合納米纖維膜。將得到的復(fù)合納米纖維膜放入馬弗爐中，從室溫以0.50C /min升溫速率升溫到400°C，煅燒5h，然后自然冷卻到室溫。實(shí)施例2分別稱取PVP 0.76g、TBT 6. 8Ig (PVP/TBT = I 9) ；PVP I. 70g、TBT 6. 81g(PVP/ TBT = 2 8) ；PVP 2.92g、TBT 6. 8Ig (PVP/TBT = 3 7)，然后分別加入到 3 份 9. 21g 無水乙醇溶液中，加入磁性攪拌子，調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，在室溫下攪拌4 6h。所配制的上述紡絲液裝入帶有磨平不銹鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上，在紡絲電壓 12kV，接收裝置與噴絲頭之間的距離為15cm，紡絲液流速為lmL/h的工藝條件下，紡絲10h， 得到PVP/TBT復(fù)合納米纖維膜。將得到的復(fù)合納米纖維膜放入馬弗爐中，從室溫以1°C/min 升溫速率升溫到500°C，煅燒4h，然后自然冷卻到室溫。實(shí)施例3分別稱取PVP 0.76g、TBT 6. 8Ig (PVP/TBT = I 9) ；PVP I. 70g、TBT 6. 81g(PVP/ TBT = 2 8) ；PVP 2. 92g、TBT 6. 8Ig (PVP/TBT = 3 7)，然后分別加入到 3 份 9. 21g 無水乙醇溶液中，加入磁性攪拌子，調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，在室溫下攪拌4 6h。所配制的上述紡絲液裝入帶有磨平不銹鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上，在紡絲電壓15kV，接收裝置與噴絲頭之間的距離為20cm，紡絲液流速為0. 5mL/h的工藝條件下，紡絲10h，得到PVP/TBT復(fù)合納米纖維膜。將得到的復(fù)合納米纖維膜放入馬弗爐中，從室溫以 2V /min升溫速率升溫到500°C，煅燒3h，然后自然冷卻到室溫。實(shí)施例4分別稱取PVP 0.76g、TBT 6. 8Ig (PVP/TBT = I 9) ；PVP I. 70g、TBT 6. 81g(PVP/ TBT = 2 8) ；PVP 2.92g、TBT 6. 8Ig (PVP/TBT = 3 7)，然后分別加入到 3 份 9. 21g 無水乙醇溶液中，加入磁性攪拌子，調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，在室溫下攪拌4 6h。所配制的上述紡絲液裝入帶有磨平不銹鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上，在紡絲電壓 16kV，接收裝置與噴絲頭之間的距離為20cm，紡絲液流速為lmL/h的工藝條件下，紡絲10h， 得到PVP/TBT復(fù)合納米纖維膜。將得到的復(fù)合納米纖維膜放入馬弗爐中，從室溫以:TC /min 升溫速率升溫到600°C，煅燒3h，然后自然冷卻到室溫。實(shí)施例5分別稱取PVP 0.76g、TBT 6. 8Ig (PVP/TBT = I 9) ；PVP I. 70g、TBT 6. 81g(PVP/ TBT = 2 8) ；PVP 2.92g、TBT 6. 8Ig (PVP/TBT = 3 7)，然后分別加入到 3 份 9. 21g 無水乙醇溶液中，加入磁性攪拌子，調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，在室溫下攪拌4 6h。所配制的上述紡絲液裝入帶有磨平不銹鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上，在紡絲電壓 20kV，接收裝置與噴絲頭之間的距離為25cm，紡絲液流速為2mL/h的工藝條件下，紡絲10h， 得到PVP/TBT復(fù)合納米纖維膜。將得到的復(fù)合納米纖維膜放入馬弗爐中，從室溫以4°C /min 升溫速率升溫到700°C，煅燒2h，然后自然冷卻到室溫。實(shí)施例6分別稱取PVP 0.76g、TBT 6. 8Ig (PVP/TBT = I 9) ；PVP I. 70g、TBT 6. 81g(PVP/ TBT = 2 8) ；PVP 2.92g、TBT 6. 8Ig (PVP/TBT = 3 7)，然后分別加入到 3 份 9. 21g 無水乙醇溶液中，加入磁性攪拌子，調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，在室溫下攪拌4 6h。所配制的上述紡絲液裝入帶有磨平不銹鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上，在紡絲電壓 15kV，接收裝置與噴絲頭之間的距離為25cm，紡絲液流速為lmL/h的工藝條件下，紡絲10h，得到PVP/TBT復(fù)合納米纖維膜。將得到的復(fù)合納米纖維膜放入馬弗爐中，從室溫以5°C /min 升溫速率升溫到700°C，煅燒3h，然后自然冷卻到室溫。
權(quán)利要求
1.一種銳鈦礦型二氧化鈦納米纖維光催化劑及制備方法，其特征在于，靜電紡絲法及高溫煅燒，包括以下步驟.1)稱取一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于無水乙醇中配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7% 24% 的乙醇溶液，然后將鈦酸四正丁酯(TBT)按PVP/TBT = I 9,2 8,3 7加入上述溶液中，在室溫下用磁力攪拌器攪拌4 6h至完全溶解得到透明溶液。.2)將步驟I)配制的紡絲液裝入帶有磨平不銹鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上，設(shè)置好靜電紡絲參數(shù)紡出均勻的復(fù)合納米纖維膜，紡絲條件紡絲電壓 10 20kV，接收裝置與噴絲頭之間的距離為15 25cm，紡絲液流速為O. 5 2. OmL/h。.3)將步驟2)中紡出的復(fù)合納米纖維膜放在馬弗爐中，在空氣氛中煅燒，從室溫升溫到 400 800°C，升溫速率O. 5 5°C /min，煅燒時(shí)間為2 5h，在空氣氛中自然冷卻到室溫， 即得到二氧化鈦納米纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種銳鈦礦型二氧化鈦納米纖維光催化劑及制備方法，其特征在于靜電紡絲電壓、收集距離、紡絲流速和煅燒溫度。
全文摘要
一種銳鈦礦型二氧化鈦納米纖維光催化劑及制備方法，屬于納米材料和光催化技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先利用靜電紡絲技術(shù)制備出復(fù)合納米纖維，然后在空氣中經(jīng)過煅燒得到二氧化鈦納米纖維光催化劑，而中間沒有引入溶膠-凝膠技術(shù)，使得工藝參數(shù)更易調(diào)控，省去了影響最終二氧化鈦納米纖維結(jié)晶度、晶型以及顆粒度分布和大小的很多因素，更利于得到催化高效的光催化材料。本發(fā)明所制備的二氧化鈦納米纖維具有較大的比表面積，導(dǎo)致可見光下具有高效的催化效率。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單且容易調(diào)控，降低了生產(chǎn)成本。本發(fā)明作為新型光催化材料，在可見光下具有較高的光催化效率，滿足了新一代光催化材料的要求和發(fā)展方向。
文檔編號(hào)D01F9/10GK102586948SQ20111041943
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者喬輝, 李曉林, 李靜, 羅喬慧, 蔡以兵, 魏取福, 黃鋒林 申請(qǐng)人:江南大學(xué)