CN101513617B - 一种碳纤维负载复合光催化膜的制备方法 - Google Patents

一种碳纤维负载复合光催化膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维负载复合光催化膜的制备方法。是先将基体碳纤维表面氧化处理后，通过氧化-还原技术在碳纤维的表面沉积钯，再通过溶胶-凝胶方法，过热蒸汽干燥技术和高温处理在PAN基碳纤维上负载复合光催化膜，其中的过热蒸汽既作为钛酸水解的水源，又作为干燥的热介质。采用过热蒸汽干燥和热空气高温退火二步热处理法，或全过程均采用过热蒸汽，控制了溶胶-凝胶法制备二氧化钛薄膜易张裂的现象，制备成表面光滑无裂纹，具有优良光催化效果的碳纤维负载复相光催化材料。

Description

一种碳纤维负载复合光催化膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维负载复合光催化膜的制备方法。
背景技术
目前，粉末型TiO2光催化剂存在水中易凝聚，易失活，并且存在用后分离回收难等工程性问题，从而限制其实际应用。制备负载型TiO2光催化材料的提出则克服了光催化剂在实际应用中的不足。合适的载体选择，是制备负载型TiO2光催化材料的关键。碳质类材料具有吸附性强、比表面积大、稳定性好等优点，从而成为该领域研究的一大热点。常用的碳质类材料主要有两类，一类是活性炭颗粒，这一载体本身就是细小颗粒形态存在，因此复合体在使用后仍存在分离回收难等问题。一类是活性碳纤维，这一载体的缺点是在高温烧结时孔结构易受到破坏。
溶胶-凝胶技术制备TiO2光催化薄膜具有反应条件温和、工艺简单、组分均匀、反应易于控制等优点，但在干燥过程中易发生张裂，从而破坏了薄膜的连续性和均匀性，甚至会使薄膜从载体上脱落。
发明内容
为了克服以活性炭颗粒和活性碳纤维为载体的复合光催化材料存在回收困难和高温烧结载体结构易破环等问题。本发明的目的在于提供一种碳纤维负载复合光催化膜的制备方法，采用具有柔性好、强度高、耐高温、耐腐蚀的聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)为载体，通过简单氧化-还原技术，溶胶-凝胶方法，和热处理工艺进行制备。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，该方法的步骤如下：
1)选用PAN基碳纤维放入反应容器中，并加入65％-68％的浓硝酸，其中碳纤维与浓硝酸的质量比为(0.8～1.3)∶100，反应液体积为反应容器体积的2∶(6～7)在油浴中加热冷凝回流处理3～6h，取出后用去离子水清洗至pH 6～7，其中纤维单纤直径为4～6μm；
2)将处理后的纤维浸渍于10g/L的SnCl2溶液10～20min，其中纤维与SnCl2溶液的浴比为1∶200～500取出吹干后再浸渍于0.2～0.5g/L的PdCl2溶液中10～20min，其中纤维与PdCl2溶液的浴比为1∶20～100，将其放入40～60℃的烘箱中干燥1～2h；
3)以钛酸异丙酯为前驱体，丙二醇为溶剂，盐酸为催化剂制备溶胶，其中酸异丙酯(化学纯)∶丙二醇(分析纯)∶水∶盐酸的摩尔比为：1∶(5～8)∶(0～0.1)∶0.04；采用浸渍提拉法，以5～8mm/min提拉速度在上述处理得到的纤维表面涂覆薄膜，通过过热蒸汽干燥，在100～200℃下干燥1～2h，升温速率为2℃/min，过热蒸汽既提供钛酸异丙酯水解的水源，又作为热介质干燥凝胶，同时，在水蒸汽的氛围下，抑制了表面水分的蒸发，从而防止表面的开裂，最后在电阻炉的热空气氛围下或在过热蒸汽氛围下，以2～10℃/min升温速率从200℃升温至450～550℃，并保温1～2h；采用过热蒸汽干燥和热空气高温退火二步热处理法，或全过程均采用过热蒸汽，控制了溶胶-凝胶法制备二氧化钛薄膜易张裂的现象。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明利用了氧化-还原技术及溶胶-凝胶方法制备了光催化效果优良的复相光催化复合材料。
2、本发明采用过热蒸汽干燥和热空气高温退火二步热处理法，或全过程均采用过热蒸汽，能有效控制了溶胶-凝胶法制备二氧化钛薄膜易张裂的现象。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图中：1是PAN基碳纤维，2是金属钯粒子，3是二氧化钛薄膜。
图2是本发明实施例的碳纤维负载复合光催化膜在500W汞灯紫外光照下对酸性橙II溶液的光催化降解性能图。
具体实施方式
实施例1：
1)选用PAN基碳纤维放入反应容器中，并加入65％-68％的浓硝酸，其中碳纤维与浓硝酸的质量比为0.8∶100，反应液体积为反应容器体积的2∶6在油浴中加热冷凝回流处理3h，取出后用去离子水清洗至pH 6～7，其中纤维单纤直径为4～6μm；
2)将处理后的纤维浸渍于10g/L的SnCl2溶液10～20min，其中纤维与SnCl2溶液的浴比为1∶250取出吹干后再浸渍于0.2g/L的PdCl2溶液中10～20min，其中纤维与PdCl2溶液的浴比为1∶20，将其放入40～60℃的烘箱中干燥1h；
3)以钛酸异丙酯为前驱体，丙二醇为溶剂，盐酸为水解抑制剂制备钛溶胶，其中钛酸异丙酯(化学纯)∶丙二醇(分析纯)∶水∶盐酸的摩尔比为：1∶5∶0∶0.04，盐酸的质量分数为36.5％；采用浸渍提拉法，以5～8mm/min提拉速度在上述处理得到的纤维表面涂覆薄膜，通过过热蒸汽干燥，在100～200℃下干燥1h，升温速率为2℃/min，过热蒸汽既提供钛酸异丙酯水解的水源，又作为热介质干燥凝胶，同时，在水蒸汽的氛围下，抑制了表面水分的蒸发，从而防止表面的开裂，最后在电阻炉的热空气氛围下，以2℃升温速率从200℃升温至500℃，保温1h；采用过热蒸汽干燥和热空气高温退火二步热处理法，或全过程均采用过热蒸汽，控制了溶胶-凝胶法制备二氧化钛薄膜易张裂的现象。
实施例2：
1)选用PAN基碳纤维放入反应容器中，并加入65％-68％的浓硝酸，其中碳纤维与浓硝酸的质量比为1.3∶100，反应液体积为反应容器体积的2∶7在油浴中加热冷凝回流处理6h，取出后用去离子水清洗至pH 6～7，其中纤维单纤直径为4～6μm；
2)将处理后的纤维浸渍于10g/L的SnCl2溶液10～20min，其中纤维与SnCl2溶液的浴比为1∶500，取出吹干后再浸渍于0.5g/L的PdCl2溶液中10～20min，其中纤维与PdCl2溶液的浴比为1∶100，将其放入40～60℃的烘箱中干燥2h；
3)以钛酸异丙酯为前驱体，丙二醇为溶剂，盐酸为水解抑制剂制备钛溶胶，其中钛酸异丙酯(化学纯)∶丙二醇(分析纯)∶水∶盐酸的摩尔比为：1∶8∶0.1∶0.04，盐酸的质量分数为36.5％；采用浸渍提拉法，以5～8mm/min提拉速度在上述处理得到的纤维表面涂覆薄膜，通过过热蒸汽干燥，在100～200℃下干燥2h，升温速率为2℃/min，过热蒸汽既提供钛酸异丙酯水解的水源，又作为热介质干燥凝胶，同时，在水蒸汽的氛围下，抑制了表面水分的蒸发，从而防止表面的开裂，最后在过热蒸汽氛围下，以10℃/min升温速率从200℃升温至550℃，保温1h；全过程均采用过热蒸汽，控制了溶胶-凝胶法制备二氧化钛薄膜易张裂的现象，效果如图2所示。图中所用的酸性橙II溶液的起始浓度为100mg/L，催化降解10min后，酸性橙II溶液的浓度迅速下降至35mg/L，催化降解3小时后，酸性橙II溶液浓度下降到了只有2.4mg/L，显示了良好的催化性能。
实施例3：
选用PAN基碳纤维放入反应容器中，并加入65％-68％的浓硝酸，其中碳纤维与浓硝酸的质量比为1.3∶100，反应液体积为反应容器体积的2∶7在油浴中加热冷凝回流处理6h，取出后用去离子水清洗至pH 6～7，其中纤维单纤直径为4～6μm；
2)将处理后的纤维浸渍于10g/L的SnCl2溶液10～20min，其中纤维与SnCl2溶液的浴比为1∶500，取出吹干后再浸渍于0.5g/L的PdCl2溶液中10～20min，其中纤维与PdCl2溶液的浴比为1∶100，将其放入40～60℃的烘箱中干燥2h；
3)以钛酸异丙酯为前驱体，丙二醇为溶剂，盐酸为水解抑制剂制备钛溶胶，其中钛酸异丙酯(化学纯)∶丙二醇(分析纯)∶水∶盐酸的摩尔比为：1∶8∶0.1∶0.04，盐酸的质量分数为36.5％；采用浸渍提拉法，以5～8mm/min提拉速度在上述处理得到的纤维表面涂覆薄膜，通过过热蒸汽干燥，在100～200℃下干燥2h，升温速率为2℃/min，过热蒸汽既提供钛酸异丙酯水解的水源，又作为热介质干燥凝胶，同时，在水蒸汽的氛围下，抑制了表面水分的蒸发，从而防止表面的开裂，最后在电阻炉的热空气氛围下，以2℃/min升温速率从200℃升温至550℃，再保温2h；采用过热蒸汽干燥和热空气高温退火二步热处理法，控制了溶胶-凝胶法制备二氧化钛薄膜易张裂的现象。
以上制备所得的三种材料结构如图1所示，结构特征为：在PAN基碳纤维1的表面首先沉积金属颗粒钯粒子2，再在PAN基碳纤维1和金属颗粒钯粒子2的表面形成二氧化钛薄膜3。

Claims (1)

1.一种碳纤维负载复合光催化膜的制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：
1)选用PAN基碳纤维放入反应容器中，并加入65％-68％的浓硝酸，其中碳纤维与浓硝酸的质量比为(0.8～1.3)∶100，反应液体积为反应容器体积的2∶(6～7)，在油浴中加热冷凝回流处理3～6h，取出后用去离子水清洗至pH 6～7，其中纤维单纤直径为4～6μm；
2)将处理后的纤维浸渍于10g/L的SnCl2溶液10～20min，其中纤维与SnCl2溶液的浴比为1∶200～500，取出吹干后再浸渍于0.2～0.5g/L的PdCl2溶液中10～20min，其中纤维与PdCl2溶液的浴比为1∶20～100，将其放入40～60℃的烘箱中干燥1～2h；
3)以钛酸异丙酯为前驱体，丙二醇为溶剂，盐酸为催化剂制备溶胶，其中钛酸异丙酯∶丙二醇∶水∶盐酸的摩尔比为：1∶(5～8)∶(0～0.1)∶0.04；采用浸渍提拉法，以5～8mm/min提拉速度在上述处理得到的纤维表面涂覆薄膜，通过过热蒸汽干燥，在100～200℃下干燥1～2h，升温速率为2℃/min，过热蒸汽既提供钛酸异丙酯水解的水源，又作为热介质干燥凝胶，同时，在水蒸汽的氛围下，抑制了表面水分的蒸发，从而防止表面的开裂，最后在电阻炉的热空气氛围下或在过热蒸汽氛围下，以2～10℃/min的升温速率，从200℃升温至450～550℃，并保温1～2h；采用过热蒸汽干燥和热空气高温退火二步热处理法，或全过程均采用过热蒸汽，控制了溶胶-凝胶法制备二氧化钛薄膜易张裂的现象。
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