CN102489289A - 一种SnO2/TiO2复合纳米纤维光催化剂及制备方法 - Google Patents
一种SnO2/TiO2复合纳米纤维光催化剂及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种SnO2/TiO2复合纳米纤维光催化剂及制备方法，属于高分子材料和光催化技术领域。本发明所制备的SnO2/TiO2复合纳米纤维作为光催化材料，解决了二氧化钛光生载流子分离效率低的问题，增加了光生电子-空穴对的稳定性，从而提高二氧化钛的光催化活性。本发明所用方法直接利用静电纺丝技术和在空气中煅烧得到复合纳米纤维，而没有引入影响因素较多的溶胶-凝胶技术。本发明优化了制备复合纳米纤维的工艺过程，简化了工艺参数的调节。本发明所制备的材料用作光催化材料，其光催化活性远比纯的二氧化钛的光催化活性高，满足新一代二氧化钛光催化材料的要求和发展方向。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料和光催化技术领域，具体涉及一种纳米纤维光催化剂及制备方法，特别是一种SnO2/TiO2复合纳米纤维光催化剂及制备方法。
背景技术
二氧化钛(TiO2)是一种n型半导体。由于纳米TiO2光催化材料具有无毒、化学稳定性高、氧化能力强、长期耐腐蚀性强、可重复利用等优点而被广泛应用于废水处理、空气净化、杀菌以及医药等领域，尤其是其在光降解有机污染物方面，因此在半导体纳米光催化剂的研究中，纳米TiO2光催化材料受到越来越多的关注。但是纳米TiO2用作光催化剂依旧面临两大核心问题，其一是TiO2的禁带宽度为3.2eV，属于宽禁带半导体材料，只能吸收波长小于387nm的中长紫外光而被激发，而到达地球表面紫外光只占太阳辐射到地球上的光谱总数的5％左右，因此难以有效利用自然界中广泛且廉价的太阳光。其二是材料的量子产率低，TiO2半导体的光生电子-空穴对的复合几率较高，影响光催化效率，因此大大阻碍了TiO2在光降解有机污染物方面的应用。因此，如何使TiO2更有效充分地利用太阳光，提高TiO2的光催化效率是当前环境催化领域研究的热点之一。目前，为了实现这一目标，采用多种不同技术手段对TiO2进行改性或掺杂，如在TiO2表面沉积贵金属、过渡金属粒子掺杂、非金属粒子掺杂、表面光敏化处理以及半导体复合等，其中半导体复合是一种非常简单有效的手段。半导体复合其本质是一种半导体对另一种半导体的修饰，复合方式主要是简单的组合、掺杂和异相组合，主要是利用能带宽带不同但又相近的两种半导体复合，这样不仅可以使光生载流子在不同能级半导体之间运输，而且延长了载流子的寿命，很大程度上避免了载流子的复合，增加光生电子和空穴的稳定性，提高了载流子的分离效率，也即提高了量子效率，从而提高体系的光催化活性。
二氧化锡(SnO2)也是一种典型的n型半导体，禁带宽度为3.5～3.6eV，与TiO2的能级达到很好匹配。将SnO2与TiO2进行复合，使被激发的TiO2表面的光生电子向低费米能级的SnO2的导带转移，而空穴则会从SnO2的价带迁移到TiO2的价带，直到两者的费米能级接近为止。该载流子的整个迁移过程增加了光生电子和空穴的寿命，很大程度上避免了两者的复合，从而提高TiO2的光催化性能。
目前，使SnO2与TiO2复合的技术手段有很多种，其中通过静电纺丝技术将两者直接复合是一种方法简单操作方便的手段，已受到越来越多的关注。现已有文献报道借助静电纺丝技术将两者复合，但其中结合了溶胶-凝胶技术，这样使得工艺过程较为复杂，工艺参数较难控制。也有报道用静电纺丝技术制备二氧化钛纳米纤维，然后在利用水热合成法在得到的二氧化钛纳米纤维表面沉积二氧化锡纳米颗粒，这样方法也是工艺过程复杂，工艺参数较多而难调控。本发明是直接利用静电纺丝技术制备SnO2/TiO2复合纳米纤维，相比溶胶-凝胶技术，使得制备工艺过程更加简单有效，使两者的复合也更加有效，从而进一步提高TiO2的光催化活性。
发明内容
本发明优化利用静电纺丝法制备SnO2/TiO2复合纳米纤维的工艺过程，简化了工艺参数，避免了因使用溶胶-凝胶技术而引入的更加复杂的工艺参数的调节和控制，以及避免了溶胶-凝胶法所带来的该技术本身的一些缺点。只利用静电纺丝技术制备SnO2/TiO2复合纳米纤维不仅工艺简单，工艺参数少且易控，而且使SnO2和TiO2两者的达到更好地复合效果，提高了TiO2的光催化活性。
本发明采用的技术方案为，首先利用静电纺丝技术制备SnO2/TiO2复合纳米纤维的前驱体复合纳米纤维，然后将前驱体复合纳米纤维放置在马弗炉中在空气中煅烧，即得到SnO2/TiO2复合纳米纤维。具体步骤如下：
(1)称取一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于无水乙醇中配制质量分数为10％～20％的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液，称取一定量的SnCl4·5H2O加入到其中，然后按SnCl4·5H2O和钛酸四正丁酯(TBT)摩尔比1∶1，1∶3，1∶5，1∶7，3∶1的比例加入TBT到上述溶液中，在室温下用磁力搅拌器搅拌6～8h至完全溶解得到透明溶液。
(2)将上述溶液装入带有磨平不锈钢针头的注射器中，将注射器安装在静电纺丝装置上，设置好静电纺丝参数纺出均匀的纳米纤维膜，纺丝条件：纺丝电压10～20kV，接收装置与喷丝头之间的距离为15～25cm，纺丝液流速为0.5～2.0mL/h。
(3)将制备出得复纳米纤维膜放在马弗炉中，在空气氛中煅烧，从室温升温到600～800℃，升温速率1～5℃/min，煅烧时间为2～5h，在空气氛中自然冷却到室温，即得到SnO2/TiO2复合纳米纤维。
本发明由于没有采用溶胶-溶胶法和静电纺丝法相结合的工艺，从而优化了制备SnO2/TiO2复合纳米纤维的工艺过程以及简化了工艺参数，使得制备出SnO2/TiO2复合纳米纤维获得更好地复合效果，从而提高TiO2的光催化活性。
由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：
1.本发明优化了制备工艺，并简化了工艺参数。
2.本发明所制备出的复合纳米纤维使得两种材料的复合效果提高，从而提高了TiO2的光催化活性。
3.本发明所制备的材料用作光催化材料，提高了载流子的分离效率，进而提高TiO2的光催化活性，满足新一代二氧化钛光催化材料的发展要求。
附图说明
图1SnO2/TiO2复合纳米纤维的扫描电子显微镜图片。
图2SnO2/TiO2复合纳米纤维的光催化降解效果图。
具体实施方式
实施例1
分别称取1.5g PVP溶解在8.5g DMF中，再称取1.745g SnCl4.5H2O加入其中，然后按SnCl4.5H2O和钛酸四正丁酯(TBT)摩尔比1∶1，1∶3，1∶5，1∶7，3∶1的比例加入TBT到上述溶液中，在室温下用磁力搅拌器搅拌6～8h至完全溶解得到透明溶液。所配制的上述纺丝液装入带有磨平不锈钢针头的注射器中，将注射器安装在静电纺丝装置上，在纺丝电压10kV，接收装置与喷丝头之间的距离为15cm，纺丝液流速为0.5mL/h的工艺条件下，纺丝10h，得到纳米纤维膜。将得到的纳米纤维膜放入马弗炉中，从室温以1℃/min升温速率升温到600℃，煅烧5h，然后自然冷却到室温。
实施例2
分别称取1.5g PVP溶解在8.5g DMF中，再称取1.745g SnCl4.5H2O加入其中，然后按SnCl4.5H2O和钛酸四正丁酯(TBT)摩尔比1∶1，1∶3，1∶5，1∶7，3∶1的比例加入TBT到上述溶液中，在室温下用磁力搅拌器搅拌6～8h至完全溶解得到透明溶液。所配制的上述纺丝液装入带有磨平不锈钢针头的注射器中，将注射器安装在静电纺丝装置上，在纺丝电压15kV，接收装置与喷丝头之间的距离为20cm，纺丝液流速为1.0mL/h的工艺条件下，纺丝10h，得到纳米纤维膜。将得到的纳米纤维膜放入马弗炉中，从室温以2℃/min升温速率升温到600℃，煅烧3h，然后自然冷却到室温。
实施例3
分别称取1.5g PVP溶解在8.5g DMF中，再称取1.745g SnCl4.5H2O加入其中，然后按SnCl4.5H2O和钛酸四正丁酯(TBT)摩尔比1∶1，1∶3，1∶5，1∶7，3∶1的比例加入TBT到上述溶液中，在室温下用磁力搅拌器搅拌6～8h至完全溶解得到透明溶液。所配制的上述纺丝液装入带有磨平不锈钢针头的注射器中，将注射器安装在静电纺丝装置上，在纺丝电压20kV，接收装置与喷丝头之间的距离为25cm，纺丝液流速为1.5mL/h的工艺条件下，纺丝10h，得到纳米纤维膜。将得到的纳米纤维膜放入马弗炉中，从室温以5℃/min升温速率升温到700℃，煅烧2h，然后自然冷却到室温。
实施例4
分别称取1.5g PVP溶解在8.5g DMF中，再称取1.745g SnCl4.5H2O加入其中，然后按SnCl4.5H2O和钛酸四正丁酯(TBT)摩尔比1∶1，1∶3，1∶5，1∶7，3∶1的比例加入TBT到上述溶液中，在室温下用磁力搅拌器搅拌6～8h至完全溶解得到透明溶液。所配制的上述纺丝液装入带有磨平不锈钢针头的注射器中，将注射器安装在静电纺丝装置上，在纺丝电压15kV，接收装置与喷丝头之间的距离为20cm，纺丝液流速为2.0mL/h的工艺条件下，纺丝10h，得到纳米纤维膜。将得到的纳米纤维膜放入马弗炉中，从室温以5℃/min升温速率升温到700℃，煅烧3h，然后自然冷却到室温。
实施例5
分别称取1.5g PVP溶解在8.5g DMF中，再称取1.745g SnCl4.5H2O加入其中，然后按SnCl4.5H2O和钛酸四正丁酯(TBT)摩尔比1∶1，1∶3，1∶5，1∶7，3∶1的比例加入TBT到上述溶液中，在室温下用磁力搅拌器搅拌6～8h至完全溶解得到透明溶液。所配制的上述纺丝液装入带有磨平不锈钢针头的注射器中，将注射器安装在静电纺丝装置上，在纺丝电压15kV，接收装置与喷丝头之间的距离为25cm，纺丝液流速为1.0mL/h的工艺条件下，纺丝10h，得到纳米纤维膜。将得到的纳米纤维膜放入马弗炉中，从室温以3℃/min升温速率升温到800℃，煅烧2h，然后自然冷却到室温。
实施例6
分别称取1.5g PVP溶解在8.5g DMF中，再称取1.745g SnCl4.5H2O加入其中，然后按SnCl4.5H2O和钛酸四正丁酯(TBT)摩尔比1∶1，1∶3，1∶5，1∶7，3∶1的比例加入TBT到上述溶液中，在室温下用磁力搅拌器搅拌6～8h至完全溶解得到透明溶液。所配制的上述纺丝液装入带有磨平不锈钢针头的注射器中，将注射器安装在静电纺丝装置上，在纺丝电压15kV，接收装置与喷丝头之间的距离为20cm，纺丝液流速为1.0mL/h的工艺条件下，纺丝10h，得到纳米纤维膜。将得到的纳米纤维膜放入马弗炉中，从室温以5℃/min升温速率升温到800℃，煅烧3h，然后自然冷却到室温。
Claims (2)
1.一种SnO2/TiO2复合纳米纤维光催化剂及制备方法，其特征在于，静电纺丝法和高温煅烧，包括以下步骤：
1)称取一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于无水乙醇中配制质量分数为10％～20％的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液，称取一定量的SnCl4.5H2O加入到其中，然后按SnCl4·5H2O和钛酸四正丁酯(TBT)摩尔比1∶1，1∶3，1∶5，1∶7，3∶1的比例加入TBT到上述溶液中，在室温下用磁力搅拌器搅拌6～8h至完全溶解得到透明溶液。
2)将步骤1)配制的溶液装入带有磨平不锈钢针头的注射器中，将注射器安装在静电纺丝装置上，设置好静电纺丝参数纺出均匀的纳米纤维膜，纺丝条件：纺丝电压10～20kV，接收装置与喷丝头之间的距离为15～25cm，纺丝液流速为0.5～2.0mL/h。
3)将步骤2)制备出得复纳米纤维膜放在马弗炉中，在空气氛中煅烧，从室温升温到600～800℃，升温速率1～5℃/min，煅烧时间为2～5h，在空气氛中自然冷却到室温，即得到SnO2/TiO2复合纳米纤维。
2.根据权利要求1所述的一种SnO2/TiO2复合纳米纤维光催化剂及制备方法，其特征在于：静电纺丝电压、收集距离、纺丝流速和煅烧温度。
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