CN108411406B - 一种压电光催化复合纤维的制备方法 - Google Patents
一种压电光催化复合纤维的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的一种压电光催化复合纤维的制备方法,包括以下步骤:步骤1、准备原材料;步骤2、配制纺丝液;步骤3、同轴静电纺丝;步骤4、煅烧处理:步骤5、纤维极化处理:本发明能得到高密度的裸露在纤维表面的压电材料与光催化剂结合的界面,充分利用压电材料与光催化剂界面的内电场作用,有效驱动光生电子和空穴的分离,从而高效提高光催化反应效率。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷纳米纤维技术领域,涉及一种压电光催化复合纤维的制备方法。
背景技术
半导体光催化材料如TiO2、ZnO等具有无毒、化学稳定性好、比表面积大、氧化能力强、催化活性高的优点,广泛应用于污水处理、空气净化、抗菌杀毒、光分解水制氢等领域,但目前光催化剂在使用过程也存在许多问题,如响应范围窄、光生电子和空穴复合率高、载流子寿命短等均导致光催化效率较低。近年来,研究者们发现对光催化材料进行复合改性,构建内部电场可以有效促进光生电子和空穴的分离,提升光催化反应效率。
压电陶瓷纤维可以实现机械能与电能的相互转换,具有制备成本低、工艺简单、易于掺杂改性、比表面积大等优点。静电纺丝是一种能够简单方便的制备纳米纤维的方法,不但制造装置简单、纺丝成本低廉,而且可纺物质种类繁多、工艺可控。通过静电纺丝将压电陶瓷与光催化剂结合,制备出压电光催化复合纤维,再进行极化处理构建内电场,不但可以实现光生电子和空穴的分离,提升光催化反应效率,并且可在外力作用下(如超声振动、机械振动等)实现材料的长期高效光催化效果。此时,复合材料的光催化效果除部分来源于光催化剂本身外,主要来源于两者界面间的内电场驱动光生电子和空穴的分离,因此制备出具有高界面密度的压电光催化复合纤维是十分必要的。
《BaTiO3/TiO2heterostructure nanotube arrays for improvedphotoelectrochemical and photocatalytic activity[J].》(Electrochimica Acta,2013,91:30~35.)通过电化学阳极氧化制备了TiO2纳米管阵列,然后采用水热法得到BaTiO3/TiO2异质结结构,其具有较好的光催化活性以及较强的光电流,但BaTiO3包覆TiO2纳米管表面,不但减小了TiO2本身的反应面积,而且二者间的界面也被包覆在内部,降低了其界面处的光催化反应效率。
《Bi4Ti3O12/TiO2异质结的制备及其光催化性能[J].》(材料研究学报,2014,28(07):503~508.)用静电纺丝和水热法制备了Bi4Ti3O12/TiO2异质结,其比TiO2纳米棒光催化效果高,并且随着异质结浓度的增加其光催化性能明显提高。但TiO2纳米棒与纤维点接触,无法起到增强纤维力学性能的作用。
《异质结型BaTiO3/TiO2复合纳米纤维的制备及光催化性能[J].》(无机材料学报,2014,7:741~746.)以静电纺丝技术制备的TiO2纳米纤维为模板和反应物,采用水热法原位合成了具有异质结构的BaTiO3/TiO2复合纳米纤维,光催化效果较好。但BaTiO3既不能提高纤维的机械强度,又包覆在TiO2纤维表面,限制了TiO2本身的光催化效果,同时二者间的界面裸露较少,降低了界面处的光催化反应效率。
中国专利《一种BiFeO3纳米颗粒复合TiO2纳米管阵列电极材料的制备方法》(申请号:201410123966.4,授权号:CN103908969B,公告日:2015.11.18)公开了一种BiFeO3纳米颗粒复合TiO2纳米管阵列电极材料的制备方法,首先制备TiO2纳米管阵列电极,然后制备BiFeO3前驱体用超声浸渍法制备纳米管复合电极,可将TiO2纳米管的紫外光催化调节为可见光催化。但同样存在BiFeO3包覆TiO2纳米管,二者界面裸露较少的问题,降低了界面处的光催化反应效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电光催化复合纤维的制备方法,能提高光催化反应效率。
本发明所采用的技术方案是,一种压电光催化复合纤维的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、准备原材料;
准备光催化纳米纤维、可纺聚合物A、溶剂A、压电陶瓷前驱体、可纺聚合物B以及溶剂B;
步骤2、配制纺丝液;
先将可纺聚合物A加入到溶剂A中,混合均匀得到聚合物溶液,再将光催化纳米纤维加入到聚合物溶液中,制备得到外壳纺丝液;
将压电陶瓷前驱体、可纺聚合物B分别加入到溶剂B中搅拌均匀,制备得到内芯纺丝液;
步骤3、同轴静电纺丝;
将外壳纺丝液置入壳层推进泵中,内芯纺丝液置入芯层推进泵中,并选择纺丝电压、接收距离以及纺丝温度和湿度,调整壳层与芯层推进泵的推进速度,进行同轴静电纺丝,得到前驱体复合纤维;
步骤4、煅烧处理:
将前驱体复合纤维进行煅烧处理,得到陶瓷复合纤维;
步骤5、纤维极化处理:
将陶瓷复合纤维进行陶瓷极化处理,得到压电光催化复合纤维。
本发明的特点还在于,
步骤1中:光催化纳米纤维为TiO2纳米纤维、ZnO纳米纤维、SnO2纳米纤维或CdS纳米纤维中的一种。
光催化纳米纤维的直径为80nm~150nm,光催化纳米纤维的长径比为5~20。
步骤2中:外壳纺丝液按质量百分比的物质组成为:光催化纳米纤维10%~25%,可纺聚合物A为8%~20%,溶剂A55%~82%,以上组分质量总和为100%。
可纺聚合物A为聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯或聚乙烯醇中的一种,溶剂A为乙醇、DMF或DMSO中的一种。
步骤2中:内芯纺丝液按质量百分比的物质组成为:压电陶瓷前驱体为22%~32%,可纺聚合物B为8%~11%,溶剂B为57%~70%,以上组分质量总和为100%。
可纺聚合物B为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的一种,溶剂B为乙酸、无水乙醇、DMF、丙酮、乙二醇甲醚中的一种或多种的组合,压电陶瓷前驱体为钛的前驱体、钡盐、铋盐、铁盐、钾盐、钠盐、铌盐中的任意两种或多种的组合。
步骤3中的同轴静电纺丝的工艺参数如下:
纺丝电压为20kv~26kv,接收距离为18cm~25cm,纺丝温度为20℃~30℃,湿度为10%~30%;外壳纺丝液推进速度为0.2mL/h~0.5mL/h,内芯纺丝液推进速度为:0.15mL/h~0.3mL/h。
步骤4中的煅烧处理时的煅烧温度为500℃~700℃,保温时间为1h~4h。
步骤5中的陶瓷极化处理时的工艺参数如下:
极化电压为1.0kv/mm~1.5kv/mm,极化温度为140℃,极化时间为30min。
本发明的有益效果在于:
本发明的压电光催化复合纤维的制备方法,能得到高密度的裸露在纤维表面的压电材料与光催化剂结合的界面,充分利用压电材料与光催化剂界面的内电场作用,有效驱动光生电子和空穴的分离,从而高效提高光催化反应效率;本发明的压电光催化复合纤维的制备方法,同时将光催化短纤维定向排列后与压电材料线接触结合,煅烧后能提高纤维的力学性能,在后续机械振动或超声振动载荷作用时其耐久性更强,循环次数更多,在污水处理、空气净化、抗菌杀毒、光分解水制氢等领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1为一种压电光催化复合纤维的制备方法得到的BaTiO3-TiO2压电光催化复合纤维的结构示意图。
图中,1.光催化纳米纤维,2.压电陶瓷纤维。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种压电光催化复合纤维的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、准备原材料;
准备光催化纳米纤维、可纺聚合物A、溶剂A、压电陶瓷前驱体、可纺聚合物B以及溶剂B;
光催化纳米纤维为TiO2纳米纤维、ZnO纳米纤维、SnO2纳米纤维或CdS纳米纤维;
光催化纳米纤维的直径为80nm~150nm,光催化纳米纤维的长径比为5~20。
步骤2、配制纺丝液;
先将可纺聚合物A加入到溶剂A中,混合均匀得到聚合物溶液,再将光催化纳米纤维加入到聚合物溶液中,制备得到外壳纺丝液;
外壳纺丝液按质量百分比的物质组成为:光催化纳米纤维10%~25%,可纺聚合物A为8%~20%,溶剂A55%~82%,以上组分质量总和为100%;
可纺聚合物A为聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯或聚乙烯醇中的一种,溶剂A为乙醇、DMF或DMSO中的一种。
将压电陶瓷前驱体、可纺聚合物B加入到溶剂B中搅拌均匀,制备得到内芯纺丝液;
内芯纺丝液按质量百分比的物质组成为:压电陶瓷前驱体为22%~32%,可纺聚合物B为8%~11%,溶剂B为57%~70%,以上组分质量总和为100%;得到的内芯纺丝液为含有BaTiO3、BiFeO3、Bi4Ti3O12、KNbO3、NaNbO3、Na0.5K0.5NbO3等压电陶瓷前驱体的溶液;
可纺聚合物B为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的一种,溶剂B为乙酸、无水乙醇、DMF、丙酮、乙二醇甲醚中的一种或多种的组合,压电陶瓷前驱体为钛的前驱体、钡盐、铋盐、铁盐、钾盐、钠盐、铌盐中的任意两种或多种的组合。
压电陶瓷前驱体中钛的前驱体包括钛酸异丙酯、钛酸丁酯、四氯化钛、异丙醇钛等,钡盐包括乙酸钡、氯化钡、硝酸钡等,铋盐包括硝酸铋、氯化铋等,铁盐包括硝酸铁、氯化铁等,钾盐包括氯化钾、硝酸钾、乙酸钾等,钠盐包括氯化钠、硝酸钠、乙酸钠等,铌盐包括乙酸铌、氯化铌等。
步骤3、同轴静电纺丝;
将步骤2得到的外壳纺丝液置入壳层推进泵中,内芯纺丝液置入芯层推进泵中,并选择纺丝电压、接收距离以及纺丝温度和湿度,调整壳层与芯层推进泵的推进速度,进行同轴静电纺丝,收集得到前驱体复合纤维;
同轴静电纺丝处理的工艺参数如下:
纺丝电压为20kv~26kv,接收距离为18cm~25cm,纺丝温度为20℃~30℃,湿度为10%~30%;外壳纺丝液推进速度为0.2mL/h~0.5mL/h,内芯纺丝液推进速度为0.15mL/h~0.3mL/h。
步骤4、煅烧处理:
将步骤3得到的前驱体复合纤维进行煅烧处理,得到陶瓷复合纤维;
步骤3中煅烧处理时的煅烧温度为500℃~700℃,保温时间为1h~4h。
步骤5,纤维极化处理:
将步骤4得到的陶瓷复合纤维进行陶瓷极化处理,得到压电光催化复合纤维。
陶瓷极化处理时的工艺参数如下:
极化电压为1.0kv/mm~1.5kv/mm,极化温度为140℃,极化时间为30min。
本发明的压电光催化复合纤维的制备方法,选择直径为80~150nm、长径比为5~20的光催化纳米纤维,控制光催化纳米纤维的直径使得在静电纺丝时可以定向推出,与压电材料的结合界面有效裸露在表面,充分利用压电材料与光催化剂二者界面的内电场作用,有效驱动光生电子和空穴的分离;调节光催化纳米纤维的长径比使得光催化纳米纤维定向排列在表面,并与压电材料线接触结合,增强纤维的力学性能,在后续机械振动或超声振动载荷作用下耐久性更强,循环次数更多;通过调节外壳纺丝液中短纤维的浓度及其推进速度,进而得到具有高密度的压电光催化界面的复合纤维,该复合纤维不仅表面的短纤维具有光催化特性,压电光催化界面处还具有极高的光催化效率,可以大幅提高光催化反应效率。
本发明的压电光催化复合纤维的制备方法,能得到高密度的裸露在纤维表面的压电材料与光催化剂结合的界面,充分利用压电材料与光催化剂界面的内电场作用,有效驱动光生电子和空穴的分离,从而高效提高光催化反应效率;本发明的压电光催化复合纤维的制备方法,同时将光催化纳米纤维定向排列后与压电材料线接触结合,煅烧后能提高纤维的力学性能,在后续通过机械振动或超声振动载荷作用时其耐久性更强,循环次数更多,在污水处理、空气净化、抗菌杀毒、光分解水制氢等领域有广阔的应用前景。
实施例1
制备BaTiO3-TiO2压电光催化复合纤维
首先取直径为80nm、长径比为10的TiO2纳米纤维;再将1gPVP(聚乙烯吡咯烷酮)完全溶解在10mL无水乙醇中,并加入1.1gTiO2纳米纤维后制得外壳纺丝液;将1.215gPVP完全溶解于由4mL乙酸和6mL无水乙醇组成的混合溶液中,并加入1.672g乙酸钡和1.861g钛酸异丙酯制得内芯纺丝液;
然后将得到的外壳纺丝液和内芯纺丝液置入推进泵中,调整纺丝电压为20kv,接收距离为18cm,纺丝温度为20℃,湿度为10%,外壳纺丝液推进速度为0.3mL/h,内芯纺丝液推进速度为0.15mL/h,进行同轴静电纺丝,得到前驱体复合纤维;
之后将得到的前驱体复合纤维进行煅烧处理,煅烧温度为650℃,保温时间为2h,得到压电陶瓷复合纤维;
最后将压电陶瓷复合纤维进行陶瓷极化处理,极化电压为1.0kv/mm,极化温度为140℃,极化时间为30min,从而得到BaTiO3-TiO2压电光催化复合纤维。
实施例2
制备BiFeO3-ZnO压电光催化复合纤维
首先取直径为90nm、长径比为20的ZnO纳米纤维;再将3.436gPS(聚苯乙烯)完全溶解在10mLDMF中,并加入4.295gZnO纳米纤维制得外壳纺丝液;将1.050gPVP完全溶解于由3mL乙二醇甲醚、5mLDMF和2mL丙酮组成的混合溶液中,并加入1.789g硝酸铋和1.099g硝酸铁制得内芯纺丝液;
然后将得到的外壳纺丝液和内芯纺丝液置入推进泵中,调整纺丝电压为24kv,接收距离为20cm,纺丝温度为25℃,湿度为20%,外壳纺丝液推进速度为0.2mL/h,内芯纺丝液推进速度为0.2mL/h,进行同轴静电纺丝,得到前驱体复合纤维;
之后将得到的前驱体复合纤维进行煅烧处理,煅烧温度为600℃,保温时间为2h,得到陶瓷复合纤维;
最后将陶瓷复合纤维膜进行陶瓷极化处理,极化电压为1.2kv/mm,极化温度为140℃,极化时间为30min,从而得到BiFeO3-ZnO压电光催化复合纤维。
实施例3
制备BaTiO3-TiO2压电光催化复合纤维
首先取直径为100nm、长径比为5的TiO2纳米纤维;再将1.053gPVA完全溶解在10mL无水乙醇中,并加入1.58gTiO2纳米纤维制得外壳纺丝液;将1.049gPVA完全溶解于由6mL乙酸和5mL无水乙醇组成的混合溶液中,并加入1.195g氯化钡和1.952g钛酸丁酯制得内芯纺丝液;
然后得到的将外壳纺丝液和内芯纺丝液置入推进泵中,调整纺丝电压为26kv,接收距离为25cm,纺丝温度为30℃,湿度为30%,外壳纺丝液推进速度为0.5mL/h,内芯纺丝液推进速度为0.3mL/h,进行同轴静电纺丝,得到前驱体复合纤维;
之后将得到的前驱体复合纤维进行煅烧处理,煅烧温度为700℃,保温时间为1h,得到陶瓷复合纤维;
最后将陶瓷复合纤维膜进行陶瓷极化处理,极化电压为1.5kv/mm,极化温度为140℃,极化时间为30min,从而得到BaTiO3-TiO2压电光催化复合纤维。
实施例4
制备Bi4Ti3O12-TiO2压电光催化复合纤维
首先取直径为150nm、长径比为15的TiO2纳米纤维;再将0.771gPVP完全溶解在10mL无水乙醇中,并加入0.963gTiO2纳米纤维制得外壳纺丝液;将1.141gPVP完全溶解于由2mL乙二醇甲醚、6mL无水乙醇和2mL丙酮组成的混合溶液中,并加入2.003g硝酸铋和1.293g钛酸丁酯制得内芯纺丝液;
然后将得到的外壳纺丝液和内芯纺丝液置入推进泵中,调整纺丝电压为22kv,接收距离为20cm,纺丝温度为25℃,湿度为20%,外壳纺丝液推进速度为0.4mL/h,内芯纺丝液推进速度为0.2mL/h,进行同轴静电纺丝,得到前驱体复合纤维;
之后将得到的前驱体复合纤维进行煅烧处理,煅烧温度为500℃,保温时间为4h,得到陶瓷复合纤维;
最后将陶瓷复合纤维膜进行陶瓷极化处理,极化电压为1.0kv/mm,极化温度为140℃,极化时间为30min,从而得到Bi4Ti3O12-TiO2压电光催化复合纤维。
实施例5
制备BaTiO3-ZnO压电光催化复合纤维
首先取直径为150nm、长径比为10的ZnO纳米纤维,再将1.129gPVP完全溶解在10mL无水乙醇中,并加入2.257gZnO纳米纤维制得外壳纺丝液;将1.113gPVP完全溶解于由5mL冰乙酸和4mL无水乙醇组成的混合溶液中,并加入1.218g乙酸钡和1.626g钛酸丁酯制得内芯纺丝液;
然后将外壳纺丝液和内芯纺丝液置入推进泵中,调整纺丝电压为20kv,接收距离为22cm,纺丝温度为25℃,湿度为30%,外壳纺丝液推进速度为0.3mL/h,内芯纺丝液推进速度为0.2mL/h,进行同轴静电纺丝,得到前驱体复合纤维;
之后将得到的复合纤维进行煅烧处理,煅烧温度为550℃,保温时间为3h,得到陶瓷复合纤维;
最后将陶瓷复合纤维膜进行陶瓷极化处理,极化电压为1.2kv/mm,极化温度为140℃,极化时间为30min,从而得到BaTiO3-ZnO压电光催化复合纤维。
表1是本发明实施例1中BaTiO3-TiO2复合纤维、BaTiO3-TiO2同轴纤维以及常规TiO2纤维的直径与光催化甲基橙降解率对比。
表1实施例1中BaTiO3-TiO2复合纤维、BaTiO3-TiO2同轴纤维以及常规TiO2纤维的直径与光催化甲基橙降解率
从表1中可以看出,常规TiO2纤维的直径最小,但其光催化降解率最低。BaTiO3-TiO2同轴纤维直径最大,但由于压电陶瓷与光催化材料的复合,二者的界面有效促进光生电子与空穴的分离,提高了其光催化效率,因此其光催化效果优于常规TiO2纤维;但由于其纤维界面被二氧化钛包覆,未能充分发挥二者结合界面的作用。实施例1中不但TiO2短纤维裸露在表面,其与BaTiO3的结合界面也裸露在表面,充分发挥了光催化剂及其与结合界面的光催化作用,因此BaTiO3-TiO2同轴纤维的光催化降解率低于实施例1中的BaTiO3-TiO2复合纤维。
图1是本发明的制备方法得到的压电光催化复合纤维单根形貌示意图。从图1可以看出,经过同轴静电纺丝后光催化纳米纤维1定向分布在压电陶瓷纤维2表面,二者结合界面有效裸露在表面。
Claims (6)
1.一种压电光催化复合纤维的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、准备原材料;
准备光催化纳米纤维、可纺聚合物A、溶剂A、压电陶瓷前驱体、可纺聚合物B以及溶剂B;
步骤2、配制纺丝液;
先将所述可纺聚合物A加入到所述溶剂A中,混合均匀得到聚合物溶液,再将所述光催化纳米纤维加入到所述聚合物溶液中,制备得到外壳纺丝液;
外壳纺丝液按质量百分比的物质组成为:光催化纳米纤维10%~25%,可纺聚合物A为8%~20%,溶剂A55%~82%,以上组分质量总和为100%;
所述可纺聚合物A为聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯或聚乙烯醇中的一种,所述溶剂A为乙醇、DMF或DMSO中的一种;
将所述压电陶瓷前驱体、可纺聚合物B分别加入到溶剂B中搅拌均匀,制备得到内芯纺丝液;
内芯纺丝液按质量百分比的物质组成为:压电陶瓷前驱体为22%~32%,可纺聚合物B为8%~11%,溶剂B为57%~70%,以上组分质量总和为100%;
所述可纺聚合物B为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的一种,所述溶剂B为乙酸、无水乙醇、DMF、丙酮、乙二醇甲醚中的一种或多种的组合,所述压电陶瓷前驱体为钛的前驱体、钡盐、铋盐、铁盐、钾盐、钠盐、铌盐中的任意两种或多种的组合;
步骤3、同轴静电纺丝;
将所述外壳纺丝液置入壳层推进泵中,所述内芯纺丝液置入芯层推进泵中,并选择纺丝电压、接收距离以及纺丝温度和湿度,调整壳层与芯层推进泵的推进速度,进行同轴静电纺丝,得到前驱体复合纤维;
步骤4、煅烧处理:
将所述前驱体复合纤维进行煅烧处理,得到陶瓷复合纤维;
步骤5、纤维极化处理:
将所述陶瓷复合纤维进行陶瓷极化处理,得到压电光催化复合纤维。
2.如权利要求1所述的一种压电光催化复合纤维的制备方法,其特征在于,步骤1中:所述光催化纳米纤维为TiO2纳米纤维、ZnO纳米纤维、SnO2纳米纤维或CdS纳米纤维中的一种。
3.如权利要求1或2所述的一种压电光催化复合纤维的制备方法,其特征在于,所述光催化纳米纤维的直径为80nm~150nm,所述光催化纳米纤维的长径比为5~20。
4.如权利要求1所述的一种压电光催化复合纤维的制备方法,其特征在于,步骤3中所述的同轴静电纺丝的工艺参数如下:
纺丝电压为20kv~26kv,接收距离为18cm~25cm,纺丝温度为20℃~30℃,湿度为10%~30%;外壳纺丝液推进速度为0.2mL/h~0.5mL/h,内芯纺丝液推进速度为:0.15mL/h~0.3mL/h。
5.如权利要求1所述的一种压电光催化复合纤维的制备方法,其特征在于,步骤4中所述的煅烧处理时的煅烧温度为500℃~700℃,保温时间为1h~4h。
6.如权利要求1所述的一种压电光催化复合纤维的制备方法,其特征在于,步骤5中所述的陶瓷极化处理时的工艺参数如下:
极化电压为1.0kv/mm~1.5kv/mm,极化温度为140℃,极化时间为30min。
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