CN106048781B - 一种二氧化钛中空纤维材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二氧化钛中空纤维材料及其制备方法，属于能源材料制备领域。本发明采用无压烧结方法在真空或惰性气氛中使钛粉在碳纤维表面发生原位反应，在碳纤维表面生成一层或多层碳化钛。然后，在含氧气氛中焙烧，将碳化钛包裹的碳纤维芯氧化去除，同时将碳化钛氧化为二氧化钛，得到中空的二氧化钛纤维材料。该制备方法方便、快捷、成本低廉，制得的二氧化钛中空纤维材料可用于光催化材料、吸波材料、磁屏蔽材料等。
Description
技术领域
本发明涉及一种二氧化钛中空纤维材料及其制备方法，属于能源材料制备领域。
背景技术
随着生态环境问题的日益严峻，大气、水体污染的不断加剧，环境污染的治理成为人类社会面临和亟需解决的重大课题。因有望直接利用太阳光激活催化剂，并且在室温下能深度矿化有机污染物，以TiO2为催化剂的多相光催化技术是较理想的环境污染治理技术之一。
与传统环境治理技术相比，半导体TiO2光催化剂具有很多优点，如化学稳定性高、耐腐蚀、无毒、具有较大的禁带宽度、光催化反应驱动力大、光催化活性高、分解装置相对简单、能耗低等。诸多优点使TiO2光催化剂具有很高的应用开发潜力。但是TiO2光催化技术在实际应用过程中存在一些不足：第一，催化效率偏低。TiO2光催化剂的光生电子-空穴对的再复合率高，导致其光催化性能受损；第二，光催化反应光谱响应范围窄。纯TiO2(锐钛矿型)的禁带宽度为3.2eV，在光催化过程中只对紫外光有很好的响应，而紫外光只占太阳光谱的3～5％，因此，纯TiO2(锐钛矿型)对太阳能的有效利用率偏低；第三，纳米TiO2粉体聚集严重。光催化活性随着TiO2粉体粒度的减小而提高，但是TiO2粒度过小，容易引发二次凝聚，同时也难以回收。这些缺点限制了TiO2光催化性能的应用。
研究表明：碳掺杂二氧化钛纤维材料不仅具有相当高的光催化活性，而且有一定的体积，不易流失，易于回收过滤等优点，最近几十年将二氧化钛纤维材料作为光催化剂和催化剂载体的研究一直备受关注(Ming S.et al.Materials Letters.2006，60：639-697)。目前常见的碳掺杂二氧化钛制备方法有溅射法(Zhe-Peng，Z.et al，Journal of Physics&Chemistry of Solids，2015，87：53-57)、脉冲激光沉积法(Ruzybayev，I.et al.Surface&Coatings Technology，2014，241(2)：148-153)、溶胶-凝胶法(Mai，L.et al.AppliedSurface Science，2009，255(22)：9285-9289)等，但是这些制备方法成本较高，反应条件苛刻，难以获得具有多方面优异性能的二氧化钛。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于：针对上述现有制备方法存在的缺点，提出一种二氧化钛中空纤维材料的制备方法，该方法制备出的二氧化钛中空纤维材料不仅具有良好的光催化性能，而且易于回收，同时由于在碳纤维表面反应生成二氧化钛，碳元素进入二氧化钛晶格，起到掺杂作用，有助于改善其光吸收活动，提高光降解效率和电荷分离效果，扩展其光谱响应范围。此外该方法还具有简单易行，成本低廉，可大规模生产等优点。
技术方案：为了达到以上目的，本发明的二氧化钛中空纤维材料的制备方法包括以下基本步骤：
将钛粉与碳纤维混合均匀，得到两者的混合物在真空或惰性气氛保护下进行烧结，烧结完毕得到碳化钛包覆碳纤维材料，然后在含氧气氛中焙烧，将芯部碳纤维去除，同时将碳化钛氧化为二氧化钛，得到中空的二氧化钛纤维材料。
其中：
所述钛粉与碳纤维的摩尔比比例为1∶1～1∶5。
所述钛粉与碳纤维混合时间为5～120分钟。
所述钛粉和碳纤维的混合物在真空或惰性气氛中热处理，保温温度为900～1500℃，保温时间为0.3～10小时。
所述将碳化钛包覆碳纤维材料在含氧气氛中焙烧，焙烧温度为300～1400℃，焙烧时间为0.3～8小时。
所述中空的二氧化钛纤维材料，二氧化钛层厚度为0.1～3微米。
有益效果：本发明涉及一种二氧化钛中空纤维材料及其制备方法，采用无压烧结方法在真空或惰性气氛中使钛粉在碳纤维表面发生原位反应，在碳纤维表面生成一层或多层碳化钛。然后，在含氧气氛中焙烧，将碳化钛包裹的碳纤维芯氧化去除，同时将碳化钛氧化为二氧化钛，得到中空的二氧化钛纤维材料。该制备方法方便、快捷、成本低廉，制得的二氧化钛中空纤维材料可用于光催化材料、吸波材料、磁屏蔽材料等。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例一中所制备的二氧化钛中空纤维材料XRD图；
图2为本发明实施例一中所制备的二氧化钛中空纤维材料SEM图；
图3为本发明实施例二中所制备的二氧化钛中空纤维材料XRD图；
图4为本发明实施例二中所制备的二氧化钛中空纤维材料SEM图；
图5为本发明实施例三中所制备的二氧化钛中空纤维材料XRD图；
图6为本发明实施例三中所制备的二氧化钛中空纤维材料SEM图。
具体实施方式
1.混料——将钛粉、碳纤维以一定比例(摩尔比，钛粉∶碳纤维＝1∶1～1∶5)在混粉机中混料5～120分钟，混粉机转速为20～120转/分；
2.烧结——将混好的料在真空或惰性气氛(如氩气气氛)中热处理，热处理保温温度为900～1500℃，保温时间为0.3～10小时；
3.焙烧——将第2步获得的产物在含氧气氛中焙烧，焙烧温度为300～1400℃，焙烧时间为0.3～8小时；
4.取样——焙烧完毕，取样，即可得到目标产物。
实施例一
制作钛与碳纤维摩尔比例为3∶5、空气气氛焙烧，焙烧温度为600℃、保温时间为1小时的二氧化钛中空纤维材料：
1.混料——将钛粉(300目)、碳纤维(0.1～2毫米)以3∶5比例(摩尔比)在混粉机中混料10分钟，混粉机转速为75转/分；
2.烧结——将混好的料在氩气气氛中热处理，热处理保温温度为1400℃，保温时间为1小时；
3.焙烧——将第2步获得的产物在空气气氛中焙烧，焙烧温度为600℃，焙烧时间为1小时；
4.取样——焙烧完毕，取样，即可得到目标产物。
实施例二
制作钛与碳纤维摩尔比例为3∶5、空气气氛焙烧，焙烧温度为700℃、保温时间为1小时的二氧化钛中空纤维材料：
1.混料——将钛粉(300目)、碳纤维(0.1～2毫米)以3∶5比例(摩尔比)在混粉机中混料10分钟，混粉机转速为75转/分；
2.烧结——将混好的料在氩气气氛中热处理，热处理保温温度为1400℃，保温时间为1小时；
3.焙烧——将第2步获得的产物在空气气氛中焙烧，焙烧温度为700℃，焙烧时间为1小时；
4.取样——焙烧完毕，取样，即可得到目标产物。
实施例三
制作钛与碳纤维摩尔比例为3∶5、空气气氛焙烧，焙烧温度为1100℃、保温时间为1小时的二氧化钛中空纤维材料：
1.混料——将钛粉(300目)、碳纤维(0.1～2毫米)以3∶5比例(摩尔比)在混粉机中混料10分钟，混粉机转速为75转/分；
2.烧结——将混好的料在氩气气氛中热处理，热处理保温温度为1400℃，保温时间为1小时；
3.焙烧——将第2步获得的产物在空气气氛中焙烧，焙烧温度为1100℃，焙烧时间为1小时；
4.取样——焙烧完毕，取样，即可得到目标产物。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均属于本发明要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种二氧化钛中空纤维材料的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：将钛粉与碳纤维混合均匀，得到两者的混合物在真空或惰性气氛保护下进行烧结，烧结完毕得到碳化钛包覆碳纤维材料,然后在含氧气氛中焙烧,将芯部碳纤维去除,同时将碳化钛氧化为二氧化钛，得到中空的二氧化钛纤维材料；
所述钛粉与碳纤维的摩尔比比例为1:1～1:5；
所述钛粉与碳纤维混合时间为5～120分钟；
所述钛粉和碳纤维的混合物在真空或惰性气氛中热处理，保温温度为900～1500℃，保温时间为0.3～10小时；
所述将碳化钛包覆碳纤维材料在含氧气氛中焙烧,焙烧温度为300～1400℃,焙烧时间为0.3～8小时。
2.根据权利要求1所述的二氧化钛中空纤维材料的制备方法，其特征在于:所述中空的二氧化钛纤维材料，二氧化钛层厚度为0.1～3微米。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |