CN105586663A - 一种电纺制备光催化型ZnO/Ag复合纳米纤维的新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电纺制备光催化型ZnO/Ag复合纳米纤维的新方法，属于材料合成及环境污染治理技术领域。其主要步骤为：(1)以N,N二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，聚乙烯吡咯烷酮K90(PVP？K90)为模板剂，Zn(NO3)2·6H2O及AgNO3为原料配制纺丝液；(2)电纺制备ZnO/Ag前驱体纤维；(3)煅烧前驱体纤维制备ZnO/Ag复合纳米纤维。本发明设备简单，原料易得，操作可控，能够实现光催化型ZnO/Ag复合纳米纤维的低成本连续制备。所制备的ZnO/Ag复合纳米纤维由小颗粒组成，表面粗糙，形貌均匀，长径比大，具有优异的光催化性能。以其为光催化剂，在紫外光和模拟日光照射下，可高效降解甲基橙、亚甲基蓝、罗丹明B等有机染料。
Description
技术领域
本发明涉及静电纺丝法制备ZnO/Ag复合纳米纤维，属材料合成与环境污染治理技术领域。
背景技术
ZnO为n型半导体，可作为光催化材料。与其他光催化材料相比，ZnO的明显优势在于其无毒，价廉和具有较高的光量子效率等。纳米ZnO在日光，尤其是紫外光照射下，可以在水和空气(氧气)中自行分解出自由移动的带负电的电子(e-)，同时留下带正电的空穴(h+)。空穴可以激活空气中的氧使之变为具有极高化学活性的活性氧，其能与大多数有机物(包括细菌内的有机物)发生氧化反应，从而将有机物分解成无害的H2O和CO2，因此纳米ZnO可应用于环境污染治理。但是由于其产生的光生电子和空穴易复合，导致ZnO光催化效率降低。将Ag与ZnO复合，Ag可作为电子受体，将ZnO产生的光生电子及时导走，从而降低其光生电子和空穴再次复合的几率，提高其光催化效率。静电纺丝是一种设备成本低廉、操作简单可控的纤维制备工艺技术，采用静电纺丝技术，可实现形貌均匀、长径比大、比表面积高的ZnO/Ag复合纳米纤维的低成本连续制备。
发明内容
本发明以聚乙烯吡咯烷酮K90(PVPK90)为模板剂，N,N二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，Zn(NO3)2·6H2O，AgNO3为原料，采用静电纺丝技术制备出光催化型ZnO/Ag复合纳米纤，实现了光催化型ZnO/Ag复合纳米纤维的低成本、连续制备，为将光催化技术应用于污水治理领域提供了一种有效的光催化剂。
本发明通过以下技术方案实现。
(1)按质量比为DMF:PVPK90:Zn(NO3)2·6H2O＝10:1:1，依次将PVPK90、Zn(NO3)2·6H2O溶解于DMF中,然后向其中加入体积分数为1～4％，浓度为2mol·L-1的AgNO3溶液，得混合液A。
(2)以A为纺丝溶液，在温度为30℃，湿度为20％的条件下，控制纺丝电压为29kV，接收距离为12cm，进料速率为1ml·h-1，电纺制备前驱体纤维。
(3)将前驱体纤维置于鼓风干燥箱中，80℃下干燥1h，再置于马弗炉中，以1℃·min-1的速率升温至500℃，保温4小时，随炉冷却至室温，得到ZnO/Ag复合纳米纤维。
附图说明
图1为实施实例1所制备的ZnO/Ag复合纳米纤维的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图2为实施实例1所制备的ZnO/Ag复合纳米纤维的X-射线(XRD)图谱。
图3为以实施实例1所制备的ZnO/Ag复合纳米纤维为光催化剂，光强度为5.1mW·cm-2的高压汞灯为紫外光源降解甲基橙、亚甲基蓝和罗丹明B，其降解率随时间变化曲线。
图4为以实施实例1所制备的ZnO/Ag复合纳米纤维为光催化剂，光强度为0.5mW·cm-2的氙灯为模拟日光光源降解甲基橙，其降解率随时间变化曲线。
图5为实施实例2所制备的ZnO/Ag复合纳米纤维的扫描电子显微镜(SEM)照片。
以下结合实施实例进一步说明本发明，但并不作为本发明的限定。
实施实例1
(1)依次将0.6gPVPK90、0.6gZn(NO3)2·6H2O溶解于6gDMF中，其体积为6.2mL，再向其中加入134μL浓度为2mol·L-1的AgNO3溶液，得混合液A。
(2)以A为纺丝溶液，在温度为30℃，湿度为20％的条件下，控制纺丝电压为29kV，接收距离为12cm，进料速率为1ml·h-1，电纺制备前驱体纤维。
(3)将前驱体纤维置于鼓风干燥箱中，80℃下干燥1h，再置于马弗炉中，以1℃·min-1的速率升温至500℃，保温4小时，随炉冷却至室温，得到ZnO/Ag复合纳米纤维，其SEM照片见图1，XRD图谱见图2。
(4)分别取10ml浓度为10mg·L-1的甲基橙溶液于4只反应管中，并分别向其中加入10mg所制备的ZnO/Ag复合纳米纤维作为催化剂，以光强度为5.1mW·cm-2的高压汞灯为紫外光源，光催化降解甲基橙，每间隔5min取出1只反应管，离心分离后测定上清液的吸光度，计算甲基橙的降解率，同法测定亚甲基蓝和罗丹明B溶液的降解率，其降解率随时间变化曲线见图3，20min时甲基橙、亚甲基蓝和罗丹明B的降解率分别达到100％、97％和95％。
(5)按(4)所述方法，以所制备ZnO/Ag为光催化剂，光强度为0.5mW·cm-2的氙灯为模拟日光光源降解甲基橙，甲基橙降解率随时间变化曲线见图4，40min时基橙的解率达到92％。
实施实例2
(1)依次将6gPVPK90、6gZn(NO3)2·6H2O溶解于60gDMF中，其体积为62mL，再向其中加入753μL浓度为2mol·L-1的AgNO3溶液，得混合液A。
(2)以A为纺丝溶液，在温度为30℃，湿度为20％的条件下，控制纺丝电压为29kV，接收距离为12cm，进料速率为1ml·h-1，电纺制备前驱体纤维。
(3)将前驱体纤维置于鼓风干燥箱中，80℃下干燥1h，再置于马弗炉中，以1℃·min-1的速率升温至500℃，保温4小时，随炉冷却至室温，得到ZnO/Ag复合纳米纤维，其SEM照片见图5。
(4)按实施实例1步骤(4)所述，以所制备的ZnO/Ag为光催化剂，光强度为5.1mW·cm2的高压汞灯为光源，分别降解甲基橙、亚甲基蓝和罗丹明B溶液20min，甲基橙、亚甲基蓝和罗丹明B的降解率分别为100％、92％和87％。
Claims (5)
1.一种电纺制备光催化型ZnO/Ag复合纳米纤维的新方法，其特征在于以N,N二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，聚乙烯吡咯烷酮K90(PVPK90)为模板剂，Zn(NO3)2·6H2O及AgNO3为原料，按如下步骤进行制备过程：
(1)依次将PVPK90、Zn(NO3)2·6H2O溶解于DMF中,然后向其中加入一定体积浓度为2mol·L-1的AgNO3溶液，得混合液A。
(2)以A为纺丝溶液，电纺制备前驱体纤维。
(3)将前驱体纤维置于鼓风干燥箱中，80℃下干燥1h，再置于马弗炉中煅烧，得到ZnO/Ag复合纳米纤维。
2.根据权利要求1所述的电纺制备光催化型ZnO/Ag复合纳米纤维的新方法，其特征在于步骤(1)所配制的纺丝液A中各原料的质量比为DMF:PVPK90:Zn(NO3)2·6H2O＝10:1:1，2mol·L-1AgNO3溶液的体积分数为1～4％。
3.根据权利要求1所述的电纺制备光催化型ZnO/Ag复合纳米纤维的新方法，其特征在于步骤(2)中电纺制备前驱体纤维的条件是温度为30℃，湿度为20％，纺丝电压为29kV，接收距离为12cm，进料速率为1ml·h-1。
4.根据权利要求1所述的电纺制备光催化型ZnO/Ag复合纳米纤维的新方法，其特征在于步骤(3)中煅烧前驱体纤维制备光催化型ZnO/Ag复合纳米纤维的条件是升温速率为1℃·min-1，煅烧温度为500℃，保温时间为4小时，冷却方式为随炉冷却至室温。
5.根据权利要求1所述的电纺制备光催化型ZnO/Ag复合纳米纤维的新方法，其特征在于所制备的ZnO/Ag复合纳米纤维直径为150～200nm，由10～30nm的颗粒组成，形貌均匀，以其为光催化剂，在紫外及模拟日光照射下均可有效降解甲基橙、罗丹明B、亚甲基蓝等有机染料。
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Granted publication date: 20180119 Termination date: 20190131 |
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