CN105152204B - 悬铃木果毛纤维作为制备TiO2微米空心管模板的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了悬铃木果毛纤维作为制备TiO₂微米空心管模板的应用，本发明以悬铃木果毛纤维为模板，通过溶胶‑凝胶法制备TiO₂微米空心管，该法制备TiO₂微米空心管产量更高、纯度高、不用调节pH值且避免了传统方法对溶液浓度的精确控制；本发明制备出的TiO₂微米管很好的保持了悬铃木果毛纤维管状的形貌，且结构中空，具有较大的比表面积，可在光催化反应中提供巨大的吸附和反应面积，对四环素等复杂有机物分子具有优异的降解效果。

Description

悬铃木果毛纤维作为制备TiO2微米空心管模板的应用

技术领域

本发明属于光催化材料制备技术领域，具体涉及一种悬铃木果毛纤维作为制备TiO₂微米空心管模板的应用。

背景技术

在众多的光催化材料中，TiO₂具有强氧化能力、化学性能稳定和价格低廉等优点，被认为是最具有实用前景的光催化剂。近年来，有很多关于微纳米TiO₂材料的制备及性能研究，其中，具有中空结构的TiO₂微米空心管具有较大的比表面积，可在光催化反应中提供巨大的吸附和反应面积，对四环素等复杂有机物分子具有优异的去除效果。

贵金属沉积是一种提高TiO₂光电性能的重要方法，多项研究表明Ag颗粒在TiO₂表面的沉积能显著提高其对可见光的响应，从而提高催化和电学性能。

目前，制备TiO₂微米空心管多采用气相法和液相法。其中，气相法可分为物理气相沉积法和化学气相沉积法，液相法则有胶溶法、溶胶—凝胶法、化学沉淀法和水热合成法等。模板法是制备TiO₂空心管最常见的方法，Motonari Adachi等采用模板法将钛酸四异丙酯溶解在乙酰丙酮中，使钛形成稳定的物配位化合物，然后采用钛酸四异丙酯和LAHC体系制备TiO₂微米管。虽然目前微米科学研究者已经开始重视TiO₂微米管的研究，但其制备工艺、结构分析等方面仍有一些问题需要解决。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种悬铃木果毛纤 维为模板制备Ag/TiO₂微米空心管的应用，所得产品纯度高，颗粒细，烘干后颗粒自身的烧结温度低。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

悬铃木果毛纤维作为制备TiO₂微米空心管模板的应用。

具体的，制备TiO₂微米空心管的方法包括：

步骤一：将表面处理后的悬铃木果毛纤维浸入钛酸正丁酯、TiCl₄或TiBr₄后，再将浸有钛酸正丁酯、TiCl₄或TiBr₄的悬铃木果毛纤维放入水中进行反应；

步骤二：将经步骤一处理的悬铃木果毛纤维在450～550℃煅烧2～3h即得TiO₂微米空心管。

一种Ag/TiO₂光催化剂的制备方法，该方法包括以权利要求1或2制备得到的TiO₂微米空心管和含银化合物为原料，通过射线辐射法制得Ag/TiO₂光催化剂。

具体的，该方法包括将权利要求1或2制备得到的TiO₂微米空心管与含银化合物制备成混合溶液，混合溶液在500w氙灯下照射得到沉淀物即为Ag/TiO₂光催化剂。

更具体的，所述的含银化合物为AgNO₃，TiO₂微米空心管与AgNO₃的质量比为1:2，混合溶液在500w氙灯下照射1～2h。

本发明与现有的方法相比有益效果是：

(1)本发明以悬铃木果毛纤维为模板，通过溶胶-凝胶法制备TiO₂微米空心管，该法制备TiO₂微米空心管产量更高、纯度高、不用调节pH值且避免了传统方法对溶液浓度的精确控制；

(2)本发明制备出的TiO₂微米管很好的保持了悬铃木果毛纤维管状的 形貌，且结构中空，具有较大的比表面积，可在光催化反应中提供巨大的吸附和反应面积，对四环素等复杂有机物分子具有优异的降解效果；

(3)本发明制备出的产品为锐钛矿型TiO₂,如图5所示，锐钛矿型TiO₂在TiO₂的所有晶型中具有最优异的催化性能；本发明所制备出的TiO₂微米空心管和Ag/TiO₂材料都具有优良的催化性能，且稳定性好，具有十分广阔的应用前景。

附图说明

图1是悬铃木果毛纤维的SEM图；

图2是实施例1制备出的TiO₂微米空心管SEM图；

图3是实施例1制备出的TiO₂微米空心管断面的SEM图；

图4是实施例1制备出的TiO₂微米空心管EDX图；

图5是FT-IR分析结果曲线图；其中曲线a为未处理的悬铃木果毛纤维的FT-IR分析结果，b为乙醇处理过的纤维FT-IR分析结果，c为煅烧前的纤维的FT-IR分析结果，d为煅烧纤维后得到的TiO₂微米管的FT-IR分析结果；

图6是实施例1制备出的TiO₂微米空心管XRD图；

图7为实施例7制备的Ag/TiO₂微米管对盐酸四环素降解率的影响；

图8为实施例7制备的Ag/TiO₂微米管表面对盐酸四环素降解的动力学拟合结果；

图9为对比例1制备的TiO₂空心管的SEM图；

下面结合说明书附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

悬铃木果毛纤维是一种尚未开发利用的新型天然纤维材料。该纤维长度 约10.0mm，宽度约23.4μm，薄壁，截面近似圆形，纤维中空度大，具有极好的吸附包容能力，可成为吸附性纤维资源的开发利用的新品种。悬铃木果毛纤维的细胞壁表面存在着大量的功能基团，这些活性基团通过配位或离子间的相互作用键合金属离子，通过简单的化学反应，使纤维的表面沉积成层，通过煅烧去除模板后，即可得到微米空心管材料。

利用上述悬铃木果毛纤维的特性，本发明给出了一种TiO₂微米管的制备方法，步骤如下：

将悬铃木果毛纤维放入含有无水乙醇的烧杯中，浸泡1-2小时。取出纤维，转移至另一盛有钛酸正丁酯、TiCl₄或TiBr₄的烧杯中，并搅拌，使纤维充分接触钛酸正丁酯、TiCl₄或TiBr₄，然后静置1-2小时。

从烧杯中取出浸泡在钛酸正丁酯、TiCl₄或TiBr₄中的纤维，放入含有蒸馏水的烧杯中，立刻产生白色沉淀，搅拌后静置1-2小时，使反应充分进行。

取出纤维用蒸馏水洗3遍，放入烘箱干燥。在马弗炉中450-550℃煅烧样品2-3小时，以去除纤维，即得所要的TiO₂微米空心管。

以上述所制备的TiO₂微米空心管为原料，进一步可以通过射线辐射法制得Ag/TiO₂光催化剂，方法包括：将TiO₂置于烧杯中，加入去离子水。搅拌30min后，再在体系中添加AgNO₃溶液搅拌20min后，置于500w氙灯下照射1-2h，静置后离心，洗涤，干燥，得到灰色粉末状物质即为Ag/TiO₂光催化剂。

上述方法中，悬铃木果毛纤维需先用无水乙醇和去离子水处理，目的是去除纤维上的泥土等。

上述方法中，将悬铃木果毛纤维浸泡在无水乙醇中，目的是使纤维表面更易吸收钛离子,且无水乙醇不会使对纤维表面的基团产生影响。

实施例1：

用去离子水和乙醇清洗悬铃木果毛纤维，将纤维放入60℃烘箱中，烘干。用电子天平称取0.5g纤维放入含有无水乙醇的烧杯中，浸泡1小时。取出纤维，转移至另一盛有钛酸正丁酯的烧杯中，并搅拌，使纤维充分接触钛酸正丁酯，然后静置2小时。从烧杯中取出浸泡在钛酸正丁酯中的纤维，放入含有蒸馏水的烧杯中，立刻产生白色沉淀，搅拌后静置2小时，使反应充分进行。取出纤维，用蒸馏水洗3遍，放入烘箱干燥。在马弗炉中500℃煅烧样品2小时，以去除纤维，即得所要的TiO₂微米管。

本实施例以悬铃木果毛纤维为生物模板，其形貌如图1所示，长度约10.0mm，宽度约23.4μm，薄壁，截面近似圆形，纤维中空度大；对本实施例制备的TiO₂微米管进行了电镜扫描，见图2和3，图2和3的电镜图说明本实例制备的TiO₂微米管保持了果毛纤维管状的形貌，微米空心管的直径约为25μm；

图4是TiO₂微米管EXD图，该图中的结果表明制备出的TiO₂微米空心管由Ti、O组成；

图5是FT-IR分析结果曲线图；其中曲线a为未处理的悬铃木果毛纤维的FT-IR分析结果，b为乙醇处理过的纤维FT-IR分析结果，c为煅烧前的纤维的FT-IR分析结果，d为煅烧纤维后得到的TiO₂微米管的FT-IR分析结果；图5的结果表明悬铃木果球纤维上丰富的基团对吸收钛离子起到了重要的作用，

图6是本实施例制备出的TiO₂微米空心管XRD图，图6的结果表明所制备的样品为锐钛矿型的二氧化钛。

本实施例采用纤维先吸收Ti⁴⁺,再与水发生水解反应，实验证明本发明的 制备方法产量更高、纯度高、不用调节PH且避免了传统方法对溶液浓度的精确控制。

实施例2：

用去离子水和乙醇清洗悬铃木果毛纤维，将纤维放入60℃烘箱中，烘干。用电子天平称取0.5g纤维放入含有无水乙醇的烧杯中，浸泡1小时。取出纤维，转移至另一盛有TiCl₄的烧杯中，并搅拌，使纤维充分接触TiCl₄，然后静置2小时。从烧杯中取出浸泡在TiCl₄中的纤维，放入含有蒸馏水的烧杯中，立刻产生白色沉淀，搅拌后静置2小时，使反应充分进行。取出纤维，用蒸馏水洗3遍，放入烘箱干燥。在马弗炉中500℃煅烧样品2小时，以去除纤维，即得所要的TiO₂微米管。

实施例3：

用去离子水和乙醇清洗悬铃木果毛纤维，将纤维放入60℃烘箱中，烘干。用电子天平称取0.5g纤维放入含有无水乙醇的烧杯中，浸泡1小时。取出纤维，转移至另一盛有TiBr₄的烧杯中，并搅拌，使纤维充分接触TiBr₄，然后静置2小时。从烧杯中取出浸泡在TiBr₄中的纤维，放入含有蒸馏水的烧杯中，立刻产生白色沉淀，搅拌后静置2小时，使反应充分进行。取出纤维，用蒸馏水洗3遍，放入烘箱干燥。在马弗炉中500℃煅烧样品2小时，以去除纤维，即得所要的TiO₂微米管。

实施例4：

用去离子水和乙醇清洗悬铃木果毛纤维，将纤维放入60℃烘箱中，烘干。用电子天平称取0.5g纤维放入含有无水乙醇的烧杯中，浸泡1小时。取出纤维，转移至另一盛有钛酸正丁酯的烧杯中，并搅拌，使纤维充分接触钛酸正丁酯，然后静置2小时。从烧杯中取出浸泡在钛酸正丁酯中的纤维，放入 含有蒸馏水的烧杯中，立刻产生白色沉淀，搅拌后静置2小时，使反应充分进行。取出纤维，用蒸馏水洗3遍，放入烘箱干燥。在马弗炉中550℃煅烧样品2小时，以去除纤维，即得所要的TiO₂微米管。

实施例5：

用去离子水和乙醇清洗悬铃木果毛纤维，将纤维放入60℃烘箱中，烘干。用电子天平称取0.5g纤维放入含有无水乙醇的烧杯中，浸泡1小时。取出纤维，转移至另一盛有钛酸正丁酯的烧杯中，并搅拌，使纤维充分接触钛酸正丁酯，然后静置2小时。从烧杯中取出浸泡在钛酸正丁酯中的纤维，放入含有蒸馏水的烧杯中，立刻产生白色沉淀，搅拌后静置2小时，使反应充分进行。取出纤维，用蒸馏水洗3遍，放入烘箱干燥。在马弗炉中550℃煅烧样品3小时，以去除纤维，即得所要的TiO₂微米管。

实施例6：

用去离子水和乙醇清洗悬铃木果毛纤维，将纤维放入60℃烘箱中，烘干。用电子天平称取0.5g纤维放入含有无水乙醇的烧杯中，浸泡1小时。取出纤维，转移至另一盛有钛酸正丁酯的烧杯中，并搅拌，使纤维充分接触钛酸正丁酯，然后静置2小时。从烧杯中取出浸泡在钛酸正丁酯中的纤维，放入含有蒸馏水的烧杯中，立刻产生白色沉淀，搅拌后静置2小时，使反应充分进行。取出纤维，用蒸馏水洗3遍，放入烘箱干燥。在马弗炉中450℃煅烧样品3小时，以去除纤维，即得所要的TiO₂微米管。

实施例7：

称取0.1699g AgNO₃溶于100ml去离子水中，即配成10mmol/L的AgNO₃溶液。将实施例1所制得的TiO₂微米管分别称取80mg置于6个烧杯中，加入去离子水。搅拌30min后，再在体系中分别添加AgNO₃溶液0ml，1ml，5ml， 10ml，15ml，20ml，搅拌20min后，置于500w氙灯下照射1h，静置后离心，洗涤，干燥，得到灰色粉末状物质。依此得到载银量为0％，1％，5％，10％，15％，20％的样，然后离心，洗涤，干燥，得到Ag/TiO₂微米管。

室温下，在50毫升一定浓度的盐酸四环素溶液中加入一定量的载银TiO₂光催化剂，放置于光化学反应仪上,暗室中搅拌吸附30分钟，然后开启500w氙灯的电源,可见光照射反应液,间隔定时用移液管各取样5ml，将样品在7000r/min下离心3分钟,取上清液在357nm下测定吸光值并计算盐酸四环素的瞬时浓度。按式(1.1)计算盐酸四环素的降解率。

降解率＝(1—C/Co)×100％ (1.1)

其中c₀和c分别为盐酸四环素的初始质量浓度和瞬时质量浓度。由于盐酸四环素的浓度在低浓度范围内与吸光度值成线性关系,故盐酸四环素的光催化降解率可用式(1.2)计算。

降解率＝(1—A/Ao)×100％ (1.2)

其中A₀和A分别为盐酸四环素的初始吸光度和瞬时吸光度值。

对载银量为0％、1％、5％、10％、15％和20％的Ag/TiO₂微米管进行盐酸四环素的光催化降解试验，结果见图7和8，图7和图8中的数据表明当载银量为20％时，所得的Ag/TiO₂光催化效果最好。

对比例1：

用去离子水和乙醇清洗悬铃木果毛纤维，将纤维放入60℃烘箱中，烘干。用电子天平称取0.5g纤维放入含有90％乙醇的烧杯中，加入HNO₃调节PH约为3，浸泡1小时。加入钛酸正丁酯，并搅拌，使反应充分进行，然后静置2小时。取出纤维，用蒸馏水洗3遍，放入烘箱干燥。在马弗炉中500℃煅烧样品2小时，以去除纤维.因水解反应速度快，只能得到少量TiO₂微米管。 且对制备得到的少量TiO₂微米管进行了电镜扫描，见图9，图9中电镜照片表明所制备的样品杂质多，形貌不一致，无法形成具有中空微米管形貌的二氧化钛。

实验证明此方法所得产品产量低、制备工艺复杂。

本实施例中，调节pH约为3的目的是抑制水解，降低反应速率。

对比例2：

用去离子水和乙醇清洗悬铃木果毛纤维，将纤维放入60℃烘箱中，烘干。用电子天平称取0.5g纤维放入含有无水乙醇的烧杯中，浸泡1小时。取出纤维，转移至另一盛有钛酸正丁酯的烧杯中，并搅拌，使纤维充分接触钛酸正丁酯，然后静置2小时。从烧杯中取出浸泡在钛酸正丁酯中的纤维，放入含有蒸馏水的烧杯中，立刻产生白色沉淀，搅拌后静置2小时，使反应充分进行。取出纤维，用蒸馏水洗3遍，放入烘箱干燥。在马弗炉中400℃煅烧样品2小时，因为温度不够，无法成晶型，故得不到TiO₂微米空心管。

对比例3：

用去离子水和乙醇清洗悬铃木果毛纤维，将纤维放入60℃烘箱中，烘干。用电子天平称取0.5g纤维放入含有无水乙醇的烧杯中，浸泡1小时。取出纤维，转移至另一盛有钛酸正丁酯的烧杯中，并搅拌，使纤维充分接触钛酸正丁酯，然后静置2小时。从烧杯中取出浸泡在钛酸正丁酯中的纤维，放入含有蒸馏水的烧杯中，立刻产生白色沉淀，搅拌后静置2小时，使反应充分进行。取出纤维，用蒸馏水洗3遍，放入烘箱干燥。在马弗炉中500℃煅烧样品1小时，因煅烧时间短，样品中含有大量的碳，故得不到TiO₂微米空心管。

Claims (2)

1.悬铃木果毛纤维作为制备TiO₂微米空心管模板的应用；

制备TiO₂微米空心管的方法包括：

步骤一：将表面处理后的悬铃木果毛纤维浸入钛酸正丁酯、TiCl₄或TiBr₄后，再将浸有钛酸正丁酯、TiCl₄或TiBr₄的悬铃木果毛纤维放入水中，搅拌后静置1～2小时；

步骤二：将经步骤一处理的悬铃木果毛纤维在450～550℃煅烧2～3h，即得TiO₂微米空心管。

2.一种Ag/TiO₂光催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以权利要求1制备得到的TiO₂微米空心管和含银化合物为原料，通过射线辐射法制得Ag/TiO₂光催化剂；

该方法包括将权利要求1制备得到的TiO₂微米空心管与含银化合物制备成混合溶液，混合溶液在500w氙灯下照射得到沉淀物即为Ag/TiO₂光催化剂；

所述的含银化合物为AgNO₃，TiO₂微米空心管与AgNO₃的质量比为1:2，混合溶液在500w氙灯下照射1～2h；

所述的TiO₂微米空心管的制备方法包括：

步骤一：将表面处理后的悬铃木果毛纤维浸入钛酸正丁酯、TiCl₄或TiBr₄后，再将浸有钛酸正丁酯、TiCl₄或TiBr₄的悬铃木果毛纤维放入水中，搅拌后静置1～2小时；

步骤二：将经步骤一处理的悬铃木果毛纤维在450～550℃煅烧2～3h，即得TiO₂微米空心管。