CN107012537A - 一种折皱型二氧化钛纳米纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种折皱型二氧化钛纳米纤维及其制备方法，采用一步静电纺丝技术：将异丙醇钛溶于无水有机溶剂，磁力搅拌至均匀的混合溶液；然后称取占总溶液质量比为6%‑14wt%的有机粘结剂，溶于无水乙醇中，搅拌得到均匀的混合溶液；将上述两种溶液均匀混合，得到可纺性溶液。将可纺性溶液在环境湿度小于60％，电压15~20kV，推进速率为0.6~1mL，接收距离为13~20cm的条件下进行静电纺丝，得到前驱体纤维，并在低于80℃条件下干燥处理；将干燥好的前驱体纤维置于马弗炉以1~3℃/min的升温速率升温至600~900℃，保温0.5~1小时，随炉冷却到室温，即得到折皱型二氧化钛纳米纤维。本发明工艺简单，成本低廉，产物形貌可控、纯度高，有望在有机污染物的催化降解方面得到广泛应用。

Description

一种折皱型二氧化钛纳米纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于无机纳米材料制备领域，特别涉及一种折皱型二氧化钛纳米纤维及其制备方法。
背景技术
TiO2作为一种半导体材料，以其化学性质稳定、耐腐蚀性好、无毒、制备简单等优点，在光催化、光电池、传感器、微纳电子及涂料等方面拥有重要的应用价值。但TiO2带隙较宽(约为3.2eV)，只能对波长较短的紫外光区(λ≤387nm)有反应，对太阳光的利用率非常低，大约只有5%，光生电子与空穴的复合率高，从而降低了光催化效率。用于光催化剂的纳米TiO2多为粉体，其悬浮于污染体系中且易于团聚，妨碍了光的传播，降低光透射率。纳米纤维是一种具有高比表面积和高长径比的纳米结构材料，其具有明显的形状各向异性和质量轻等优点，因此相对纳米粉体颗粒具有更大的潜在应用价值。因此为了提高TiO2的光催化效率，制备具有长径比、分散性好和形貌可控的纳米纤维成为目前研究的一个热点。
纳米纤维的制备技术主要包括溶胶凝胶法、模板法、流延法和静电纺丝技术等。其中静电纺丝技术因其工艺简单、成本低、工艺可控等优点，已成为制备纳米纤维的重要方法之一。如王策等通过静电纺丝技术制备了TiO2纤维，还有孙冰冰等利用静电纺丝技术制备了掺杂的TiO2纤维。众所周知，静电纺丝工艺受到原料、纺丝工艺参数、热处理工艺过程等的影响，所制备材料的结构和形貌也各不相同。而纤维形貌对污染物的吸附和催化效果具有重要影响。本专利利用静电纺丝技术，通过控制制备工艺制备一种具有表面折皱型的TiO2纳米纤维，目前还没相关的文献报到。这种纤维具有更大的比表面积，在催化领域具有更加广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种折皱型二氧化钛纳米纤维及其制备方法，以简化工艺、并使得产物价格低廉。
为了解决以上技术问题，本发明采用的是一步静电纺丝法，具体步骤如下：
一种折皱型二氧化钛纳米纤维及其制备方法，其特征在于包括如下步骤：
将钛源溶于无水有机溶剂，磁力搅拌至均匀的混合溶液A；称取占总溶液质量比为6%-14wt%的有机粘结剂，溶于无水乙醇中，搅拌至完全溶解，得到一种粘性溶液即混合溶液B；将混合溶液A与混合溶液B混合，并搅拌均匀，得到可纺性溶液;将可纺性溶液在相对湿度小于60％的环境下，进行静电纺丝制成前驱体纤维，然后将前驱体纤维置于烘箱中在低于80℃条件下干燥处理得干燥好的前驱体纤维；将干燥好的前驱体纤维置于马弗炉并升温至600~900℃，保温0.5~1小时，随炉冷却到室温，即得最终产物折皱型二氧化钛纳米纤维。
所述钛源为异丙醇钛TNBT。
所述无水有机溶剂为N-N二甲基甲酰胺DMF、N-N二甲基乙酰胺DMAC、无水乙醇中的任一种，或任两种的混合物。
所述有机粘结剂为聚乙烯醇PVA和聚乙烯吡咯烷酮PVP中的任一种或二者的混合物。
所述静电纺丝的过程为：将可纺性溶液倒入注射器中，然后将注射器固定于微流泵上，推进速率为0.6-1mL/h，喷嘴与接收铝箔的距离为13-20cm，在喷嘴与接收铝箔之间加15～20kV的静电场进行纺丝得到折皱型二氧化钛纳米纤维。
所述升温至600~900℃是指以1-3℃/min的升温速度升至600~900℃。
所述折皱型二氧化钛纳米纤维直径为50~150nm。
一种折皱型二氧化钛纳米纤维，其特征在于：所制得的纤维形貌为折皱型结构。
本发明具有有益效果。本发明利用一步静电纺丝技术制备折皱型二氧化钛纳米纤维，具有原料来源广泛，工艺简单、技术可控和成本低廉的优点，有望实现大规模生产。同时，该方法可以有效控制纤维的表面结构，使其具有更大的比表面积，增强其催化性能，有利于在催化领域的应用和推广。
附图说明
图1为本发明制得的折皱型二氧化钛纳米纤维的X射线衍射XRD图；
图2为本发明制得的折皱型二氧化钛纳米纤维的扫描电子显微镜SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例1
将1g的TNBT溶于9mL的DMF中，搅拌至均匀的混合溶液；称取1g的PVP溶于9mL的无水乙醇中，搅拌至完全溶解；将上述两种溶液混合，搅拌均匀得到可纺性溶液，其中PVP的质量百分含量为6%。采用静电纺丝技术制备前驱体纤维，将前驱体纤维在80℃下干燥；然后置于马弗炉以3℃/min的升温速率升温至600℃，保温0.5小时，随炉冷却到室温，即得到折皱型二氧化钛纳米纤维。
实施例2
将0.8g的TNBT溶于7mL的DMF中，搅拌至均匀的混合溶液；称取1.2g的PVP溶于9mL的无水乙醇中，搅拌至完全溶解；将上述两种溶液混合，搅拌均匀得到可纺性溶液，其中PVP的质量百分含量为10%。采用静电纺丝技术制备前驱体纤维，将前驱体纤维在80℃下干燥；然后置于马弗炉以1℃/min的升温速率升温至900℃，保温0.5小时，随炉冷却到室温，即得到折皱型二氧化钛纳米纤维。
实施例3
将0.8g的TNBT溶于5mL的DMF中，搅拌至均匀的混合溶液；称取0.8g的PVA溶于7mL的无水乙醇中，搅拌至完全溶解；将上述两种溶液混合，搅拌均匀得到可纺性溶液，其中PVA的质量百分含量为14%。采用静电纺丝技术制备前驱体纤维，将前驱体纤维在80℃下干燥；然后置于马弗炉以2℃/min的升温速率升温至800℃，保温1小时，随炉冷却到室温，即得到折皱型二氧化钛纳米纤维。
图1为所制备的产物的XRD图谱，产物为纯的锐钛矿晶型的TiO2；图 2为所制备的产物的SEM照片，可以明显看出纳米纤维直径在50~150纳米，纤维表面均呈规则的折皱状结构。

Claims (8)

1.一种折皱型二氧化钛纳米纤维及其制备方法，其特征在于包括如下步骤：
将钛源溶于无水有机溶剂，磁力搅拌至均匀的混合溶液A；称取占总溶液质量比为6%-14wt%的有机粘结剂，溶于无水乙醇中，搅拌至完全溶解，得到一种粘性溶液即混合溶液B；将混合溶液A与混合溶液B混合，并搅拌均匀，得到可纺性溶液;将可纺性溶液在相对湿度小于60％的环境下，进行静电纺丝制成前驱体纤维，然后将前驱体纤维置于烘箱中在低于80℃条件下干燥处理得干燥好的前驱体纤维；将干燥好的前驱体纤维置于马弗炉并升温至600~900℃，保温0.5~1小时，随炉冷却到室温，即得最终产物折皱型二氧化钛纳米纤维。
2.根据权利要求1所述的一种折皱型二氧化钛纳米纤维及其制备方法，其特征在于：所述钛源为异丙醇钛TNBT。
3.根据权利要求1所述的一种折皱型二氧化钛纳米纤维及其制备方法，其特征在于：所述无水有机溶剂为N-N二甲基甲酰胺DMF、N-N二甲基乙酰胺DMAC、无水乙醇中的任一种，或任两种的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种折皱型二氧化钛纳米纤维及其制备方法，其特征在于：所述有机粘结剂为聚乙烯醇PVA和聚乙烯吡咯烷酮PVP中的任一种或二者的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种折皱型二氧化钛纳米纤维及其制备方法，其特征在于：所述静电纺丝的过程为：将可纺性溶液倒入注射器中，然后将注射器固定于微流泵上，推进速率为0.6-1mL/h，喷嘴与接收铝箔的距离为13-20cm，在喷嘴与接收铝箔之间加15～20kV的静电场进行纺丝得到折皱型二氧化钛纳米纤维。
6.根据权利要求1所述的一种折皱型二氧化钛纳米纤维及其制备方法，其特征在于：所述升温至600~900℃是指以1-3℃/min的升温速度升至600~900℃。
7.根据权利要求1所述的一种折皱型二氧化钛纳米纤维及其制备方法，其特征在于：所述折皱型二氧化钛纳米纤维直径为50~150nm。
8.根据权利要求1-7所述的一种折皱型二氧化钛纳米纤维及其制备方法得到的产物，其特征在于：所制得的纤维形貌为折皱型结构。
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