/c復合纖維光催化劑及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于包含金屬的催化劑制備領域,具體涉及一種Ta3N5/C復合纖維光催化劑及其制備方法。
【背景技術】
[0002]光催化技術是一種在環(huán)境、能源等領域有著重要應用前景的綠色技術。目前,推動光催化技術發(fā)展的核心是研宄開發(fā)出高效、穩(wěn)定、易回收的可見光光催化劑。Ta3N5是一種窄能帶隙的半導體(2.leV),可以利用波長達600nm的太陽光,主要應用于廢水處理、空氣凈化及光催化產(chǎn)氫等領域,引起了科學工作者的廣泛關注。目前,科研工作者已經(jīng)開發(fā)出納米尺寸的Ta3N5 (納米顆粒、花狀超分子結構、空心球等)光催化劑,但是納米尺寸的Ta3N5面臨兩大核心問題,其一,是Ta3N5禁帶寬度為2.leV,屬于窄禁帶半導體材料,光生電子和空穴復合幾率較高,導致材料的量子產(chǎn)率低,嚴重制約了其光催化活性。其二,由于納米尺寸催化劑不易回收,影響了其循環(huán)使用等,甚至造成二次污染。這些因素嚴重阻礙了催化劑的實際應用。因此,如何提高Ta3N5的光催化效率和可回收性成為當前環(huán)境光催化領域研宄的重要課題之一。
[0003]Li等采用靜電紡絲技術開發(fā)了易回收且催化活性高的Ta3N5-Pt異質結纖維(S.J.Li, et.al, Scientific report 2014,4,3978),然而,貴金屬 Pt 相對成本較高。此外,碳材料與半導體復合可以有效提高半導體的光催化活性及穩(wěn)定性。中國專利申請“一種石墨烯/Ta3N5復合光催化劑的制備方法”(申請?zhí)?201410312816.8,公布號:CN 104043471A)公開的制備方法中,基于靜電紡絲法得到Ta3N5納米纖維,再通過熔劑熱法制備得到由石墨稀包裹的Ta3N5短纖維復合光催化劑。然而,該方法中,將Ta3N5與石墨稀復合,一方面石墨烯成本相對較高,另一方面,實現(xiàn)二者的均勻復合制備技術操作相對復雜。更重要的是,該方法中,得到的石墨烯包裹的Ta3N5復合催化劑中,Ta 3N5纖維在與石墨烯制備過程斷裂變成較短的纖維(長度僅為0.5-1 ym)。
[0004]基于以上考慮,光催化領域的科研實踐中,亟需一種采用靜電紡絲法和水熱法和煅燒相結合的制備方法,制備出開發(fā)低成本、催化活性高、性質穩(wěn)定、易回收的Ta3N5/C復合纖維光催化劑。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明提供一種Ta3N5/C復合纖維光催化劑及其制備方法;該方法采用靜電紡絲法結合水熱法、煅燒制備得到Ta3N5/C復合纖維光催化劑。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0007]—種Ta3N5/C復合纖維光催化劑的制備方法,包括下述步驟:
[0008]Ta3N5紡絲液制備步驟:將可溶性鉭鹽加入高分子溶液中,進行攪拌處理2?12h,得到所述Ta3N5紡絲液;
[0009]Ta2O5纖維制備步驟:將所述Ta 3N5紡絲液進行靜電紡絲處理,得到復合纖維;再將所述復合纖維進行煅燒處理,得到所述Ta2O5纖維;
[0010]Ta3N5納米纖維制備步驟:將所述Ta 205纖維進行氮化處理,得到Ta 3N5納米纖維;
[0011]水熱反應混合體系制備步驟:將所述Ta3N5納米纖維加入到碳源溶液中,進行攪拌處理,得到所述水熱反應混合體系;
[0012]水熱反應和后續(xù)處理步驟:將所述水熱反應混合體系進行水熱反應,得到水熱反應產(chǎn)物;將所述水熱反應產(chǎn)物進行離心處理、水洗處理、烘干處理,得到烘干后產(chǎn)物。
[0013]煅燒步驟:將所述烘干后產(chǎn)物進行煅燒處理,得到Ta3N5/C復合纖維光催化劑。
[0014]以上制備方法的優(yōu)選的實施例中,所述Ta3N5紡絲液制備步驟中,所述高分子溶液中由聚乙烯吡咯烷酮、無水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸混合制成,所述聚乙烯吡咯烷酮、無水乙醇、N, N-二甲基甲酰胺和乙酸的體積比為(3?4):1:1,優(yōu)選為3:1:1 ;
[0015]所述Ta3N5紡絲液中,所述PVP的質量百分比濃度為5?10wt% ;所述可溶性鉭鹽的質量百分比濃度為5?15wt%,優(yōu)選為1wt % ;
[0016]進一步優(yōu)選地,所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量為1300000。
[0017]以上制備方法的優(yōu)選的實施例中,所述Ta3N5紡絲液制備步驟中,所述可溶性鉭鹽為丁醇鉭、乙醇鉭、五氯化鉭、異丙醇鉭、硫酸鉭中的一種或幾種。
[0018]以上制備方法的優(yōu)選的實施例中,所述Ta2O5纖維制備步驟中,所述煅燒處理中,溫度為500?800°C,時間為2?15h。
[0019]以上制備方法的優(yōu)選的實施例中,所述Ta3N5納米纖維制備步驟中,所述氮化處理的溫度為750?900°C,時間為4?15h ;所述氮化處理在氨氣氛圍中進行。
[0020]以上制備方法的優(yōu)選的實施例中,所述水熱反應混合體系制備步驟中,所述水熱反應混合體系中的所述Ta3N5納米纖維的含量為I?25g/L ;所述碳源溶液的濃度為0.05?0.5mol/L ;
[0021]優(yōu)選地,所述碳源為葡萄糖和木糖中的一種或兩種。
[0022]以上制備方法的優(yōu)選的實施例中,所述水熱反應和后續(xù)處理步驟中,所述水熱反應在聚四氟乙烯材質的反應釜中進行,所述水熱反應混合體系在所述反應釜中的填充度為60-90%,優(yōu)選為 80%。
[0023]以上制備方法的優(yōu)選的實施例中,所述水熱反應和后續(xù)處理步驟中,所述水熱反應的溫度為160?200°C,時間為8?24h。
[0024]以上制備方法的優(yōu)選的實施例中,所述煅燒處理步驟中,溫度為500?900°C,升溫速率為I?5°C /min,時間為I?10h,在氮氣或氬氣保護下進行。
[0025]以上制備方法及其優(yōu)選的實施例得到的Ta3N5/C復合纖維光催化劑,其形貌特征為:所述Ta3N5納米纖維的表面均勻被一層C膜包裹,形成Ta3N5/C納米纖維結構。
[0026]相比現(xiàn)有技術,本發(fā)明具有如下有益效果:
[0027]1、本發(fā)明所制備的Ta3N5/C復合纖維光催化劑,C膜均勻包裹Ta3N5納米纖維,形成良好的異質結,有效抑制的光生電子和空穴的復合,提高了 Ta3N5的光催化活性及穩(wěn)定性能,同時具有易回收的特性,是一種優(yōu)良的光催化材料,在環(huán)境和能源等領域具有重要應用價值。
[0028]2、本發(fā)明的制備方法中,先采用靜電紡絲法得到Ta3N5納米纖維,然后通過水熱法反應制備得到Ta3N5/C復合纖維光催化劑;該制備方法使C膜均勻包裹Ta3N5納米纖維,二者復合均勻、充分,利于提高光催化活性。
[0029]3、本發(fā)明的制備方法中,在水熱反應混合體系中控制加入Ta3N5納米纖維和C源的比例,可以控制Ta3N5/C復合纖維光催化劑C膜的厚度,可控性強。
[0030]4、本發(fā)明的制備方法簡單,設備和其他成本相對廉價,試驗條件可控,有利于規(guī)模化生產(chǎn)制備。
[0031 ] 5、本發(fā)明制備的Ta3N5/C復合纖維保持了超長的Ta3N5纖維結構,直徑為150-300nm,長度為60-100 μ m,具有較高的光催化活性,性質穩(wěn)定,容易回收。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明中制備的Ta3N5/C復合纖維光催化劑的掃描電鏡(SEM)圖片。
[0033]圖2是本發(fā)明中制備的Ta3N5/C復合纖維光催化劑的TEM圖片。
[0034]圖3是可見光照射下的實施例1、2、3制備的Ta3N5/C復合纖維光催化劑對MB溶液的單次光催化降解曲線圖。
[0035]圖4是可見光照射下的實施例2制備的Ta3N5/C復合纖維光催化劑對MB溶液的4次循環(huán)光催化降解曲線圖。
【具體實施方式】
[0036]一種Ta3N5/C異質結纖維光催化劑的制備方法,包括下述步驟:
[0037]步驟一、制備Ta3N5紡絲液:將可溶性鉭鹽加入高分子溶液中,進行攪拌處理2?12h,得到Ta3N5紡絲液。
[0038]該高分子溶液中,含有聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、無水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸,其中,該無水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸的體積比為(3?4):1:1(示例性地,也可以為3.2:1:1,3.5:1:1,3.8:1:1,4:1:1中的任意比例,優(yōu)選為3:1:1) 3_PVP的分子量為 1300000 ;
[0039]該Ta3N5紡絲液中,該PVP的質量百分比濃度為5?10wt% (示例性地,可以為5wt%、6wt%、8wt%、10wt%等中任意值或任意兩者之間的范圍),該可溶性鉭鹽的質量百分比濃度為5?15wt% (示例性地,可以為5wt%、8wt%、1wt% > 12wt%、15界1:%等中任意值或任意兩者之間的范圍,優(yōu)選為10wt% );
[0040]該可溶性鉭鹽為丁醇鉭、乙醇鉭、五氯化鉭、異丙醇鉭、硫酸鉭中的一種或幾種。
[0041]步驟二、制備Ta2O5纖維:將該Ta3N5紡絲液進行靜電紡絲處理,條件為:工作電壓(直流電)8?25kV,工作距離(即噴頭尖端與接收器的距離)10?25cm,紡絲溶液的推進速度(即推進器的推進速度)為:0.1?lmL/h,注射器針頭內(nèi)徑為0.6?1.2mm ;制得復合纖維;
[0042]再將該復合纖維于管式爐中進行500?800°C (示例性地,可以為500°C、700°C、800°C等中任意值或任意兩者之間的范圍,優(yōu)選為600°C )煅燒處理2?15h(示例性地,可以為2h、5h、8h、10h、12h、15h等中任意值或任意兩者之間的范圍,優(yōu)選為6h),得到Ta2O5纖維。
[0043]步驟三、制備Ta3N5納米纖維:將該Ta2O5纖維置于管式爐中,于750?900°C (示例性地,可以為750°C、850°C、900°C等中任意值或任意兩者之間的范圍,優(yōu)選為800°C ),在氨氣氛圍進行氮化處理4?15h (示例性地,可以為4h、6h、10h、12h、15h等中任意值或任意兩者之間的范圍,優(yōu)選為