CN105220273A

CN105220273A - 一种静电纺丝制备六方相YFeO3纳米纤维的方法

Info

Publication number: CN105220273A
Application number: CN201510613370.7A
Authority: CN
Inventors: 何芳
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2016-01-06

Abstract

本发明提供一种静电纺丝制备六方相YFeO₃纳米纤维的方法，包括下列步骤：按照Fe和Y的摩尔比为1:1的比例，取九水硝酸铁和六水硝酸钇，加入到适量的N，N～二甲基甲酰胺中搅拌均匀，之后，再加入聚乙烯吡咯烷酮搅拌均匀，制得前驱体溶液；将配制好的前驱体溶液放入注射器中，直流正电场直接加在针头上，接收板接地；在高压电场力作用下，得到原始PVP/(硝酸铁+硝酸钇)纤维；煅烧。本发明成本低，操作方便，可实现连续生产，纤维直径均匀，能通过改变工艺条件来调节。

Description

一种静电纺丝制备六方相YFeO3纳米纤维的方法

技术领域

本发明属于功能材料领域，涉及到一种静电纺丝法制备六方相YFeO₃纳米纤维的制备方法。

背景技术

二十一世纪人类可持续发展面临着环境和能源这两大问题。太阳能具有廉价、清洁、可再生等优点，因此，高效的利用太阳能是人们努力的目标。半导体光催化技术可以将太阳能转化为化学能，通过光水解技术和光催化降解有毒有机物技术将有望解决这两大问题。如今光催化技术已成功应用于废水处理、空气净化、自清洁表面、染料敏化太阳电池以及抗菌等多个领域。迄今为止，人们已发现了许多种光催化剂，但大多数都只能吸收紫外光，只占太阳光谱的6.8％，而可见光占到了整个太阳光谱的40％。虽然通过元素掺杂、染料敏化等手段可以减小半导体光催化剂的帯隙，但寻找窄帯隙(<2.9eV)，在可见光下呈现较高的催化效率的新型光催化剂仍然是当今研究热点。

稀土正铁氧体YFeO₃(帯隙为1.9～2.6eV)为p型间接帯隙半导体，具有钙钛矿结构，存在两种常见相态：正交相与六方相，均为窄帯隙半导体，其中六方相帯隙为1.9eV，较正交相有更窄的帯隙(2.6eV)和更高的比表面积，这使得它意味着六方相YFeO₃能够更大范围吸收可见光，因此光催化能力更强，在光催化领域有广阔的应用。然而现在研究较多的是正交相结构，对六方相研究较少。目前，人们已经通过溶胶凝胶法、溶剂热法、自蔓延燃烧法以及微波辅助等方法制备出了六方相YFeO₃纳米晶，但是其尺寸都较大，比表面积小，限制了光催化效率的提高。

随着纳米技术的不断发展，人们已经认识到纳米结构是影响材料性能的重要因素。这是因为纳米材料的尺寸小，比表面积大，表面张力和表面能随粒径的减小而急剧增大，从而表现出表面效应、量子尺寸效应等特点，进而使物体的磁性能、光学性能、导电特性、熔点、导热性能、催化性质等不同于常规块状物体。目前，制备纳米材料的方法主要有水(溶剂)热法、溶胶凝胶法、气相反应法、模板法、共沉淀法、静电纺丝法等。其中静电纺丝法设备简单，操作安全，纺丝成本低廉，可纺物质种类繁多，工艺可控且产率较高，能制备连续纳米纤维，直径均匀且可调，空隙率高、比表面积大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光催化纳米纤维的制备方法。该方法操作方便、工艺简单，获得直径均匀且可控的六方相YFeO₃纳米纤维。本发明的技术方案如下：

一种静电纺丝制备六方相YFeO₃纳米纤维的方法，包括下列步骤：

1)前驱体的配制

按照Fe和Y的摩尔比为1:1的比例，取九水硝酸铁和六水硝酸钇，加入到适量的N，N～二甲基甲酰胺中搅拌均匀，之后，再加入聚乙烯吡咯烷酮搅拌均匀，制得均一、透明和具有一定黏度的溶液作为前驱体溶液；

2)静电纺丝工艺

将配制好的前驱体溶液放入注射器中，在针头上施加18～20kV的直流电压，得到原始PVP/(硝酸铁+硝酸钇)纤维；

3)煅烧工艺

将制备的原始PVP/(硝酸铁+硝酸钇)纤维置于炉内，在升温速率为2℃/min，在700℃保温3h，即得YFeO₃纳米纤维。

其中，步骤2)中，针头使用磨平后的内径为1.2mm的不锈钢注射针，直流正电场直接加在针头上，接收板接地，针头和接收板间的距离为10～13cm，环境温度为25～30℃，环境湿度为45％～50％。

本发明成本低，操作方便，可实现连续生产，纤维直径均匀，能通过改变工艺条件来调节。通过调节前驱体溶液中硝酸盐的含量来调节材料的致密度，还可以通过调节纺丝过程中的流速和电压，来调节纤维的直径，从而满足生产工艺中不同结构的要求。通过静电纺丝技术和煅烧工艺制备出了正交相和六方相YFeO₃纳米纤维。其直径在100-200nm，其中六方相单个颗粒的尺寸不足10nm，大大增加了材料的比表面积，缩短了空穴从材料内部向表面的传输距离，从而提高光催化效率。

附图说明

图1.YFeO₃纳米纤维扫描电镜照片。

图2.在700℃下保温3h的YFeO3纳米纤维透射照片(a)硝酸盐质量分数为7％；(b)硝酸盐质量分数为5％。

图3.YFeO₃纳米纤维的XRD图谱。

图4.YFeO₃纳米纤维的紫外-可见吸收光谱图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

实例一

1.前驱体的配制

称取0.614gFe(NO₃)₃·9H₂O和0.586gY(NO₃)₃·6H₂O加入到10ml的DMF中，在室温下磁力搅拌lh后，再加入1.4g的PVP，继续磁力搅拌4h后静置1h，得到均一、透明和具有一定黏度的前驱体溶液。

2.静电纺丝工艺

将配制好的溶液加入5ml的注射器中，针头使用磨平后的12^#(针头内径为1.2mm)不锈钢注射针，直流正电场直接加在针头上，接收板接地。针头和接收板间的距离为10cm，施加电压为20kV，环境温度为25～30℃，环境湿度为45％～50％。在高压电场力作用下，纺丝溶液被高频拉伸、甩动，溶剂迅速挥发，得到了PVP/(硝酸铁+硝酸钇)纤维。

3.煅烧工艺

将制备的原始PVP/(硝酸铁+硝酸钇)纤维放入方舟内，置于管式炉中，升温速率为2℃/min，在700℃保温3h，即得YFeO₃纳米纤维。如图1所示，当硝酸盐的质量分数为7％时，制得的纳米纤维直径均匀(在200nm左右)，表面光滑；通过透射图像(图2(a))可以看出所得YFeO₃结构致密，YFeO₃颗粒的尺寸较大。

实例二

1.前驱体的配制

称取0.307gFe(NO₃)₃·9H₂O和0.293gY(NO₃)₃·6H₂O加入到10ml的DMF中，在室温下磁力搅拌lh后，再加入1.4g的PVP，继续磁力搅拌4h后静置1h，得到均一、透明和具有一定黏度的前驱体溶液。

2.静电纺丝工艺

将配制好的溶液加入5ml的注射器中，针头使用磨平后的7^#(针头内径为0.7mm)不锈钢注射针，直流正电场直接加在针头上，接收板接地。针头和接收板间的距离为13cm，施加电压为18kV，环境温度为25～30℃，环境湿度为45％～50％。在高压电场力作用下，纺丝溶液被高频拉伸、甩动，溶剂迅速挥发，得到了PVP/(硝酸铁+硝酸钇)纤维。

3.煅烧工艺

将制备的原始PVP/(硝酸铁+硝酸钇)纤维放入方舟内，置于管式炉中，升温速率为2℃/min，在700℃保温3h，即得YFeO₃纳米纤维。如图2(b)所示，当硝酸盐的质量分数为5％时，制得的YFeO₃纳米纤维直径均匀(在200nm左右)，结构疏松，为多孔结构，单个YFeO₃颗粒的尺寸不足10nm，这使得纤维比表面积大大增加。

如图3所示，XRD测试结果与六方向YFeO₃的标准衍射图谱(JCPDS48-0529)吻合；图4，紫外-可见吸收曲线证明其在可见光范围内有较好的吸收。

Claims

1.一种静电纺丝制备六方相YFeO₃纳米纤维的方法，包括下列步骤：

1)前驱体的配制

2)静电纺丝工艺

3)煅烧工艺

2.根据权利要求1所述的纳米纤维的制备方法，其特征在于，2)中，针头使用磨平后的内径为1.2mm的不锈钢注射针，直流正电场直接加在针头上，接收板接地，针头和接收板间的距离为10～13cm，环境温度为25～30℃，环境湿度为45％～50％。

3.根据权利要求1所述的纳米纤维的制备方法，其特征在于，配置前驱体时，九水硝酸铁、聚乙烯吡咯烷酮和N，N～二甲基甲酰胺的质量体积比为(0.3～0.6):(1.2g～2.0g):(10ml)。