CN108505146B - 一种光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维及其制备方法，具体是先以静电纺丝法纺出混合光催化剂颗粒物的高分子纤维，再利用紫外光激发纳米颗粒光降解粒子周边高分子组分，在一定的紫外光强度下辐照一定的时间，形成金属氧化物纳米颗粒半镶嵌的纳米纤维，经过碳化，形成功能颗粒半嵌入的纳米碳纤维。本发明制备方法方便易行，获得的半嵌入纳米碳纤维和纤维表面纳米级尺寸的孔洞。

Description

一种光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳纤维制备领域，具体涉及光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维及其制备方法。
背景技术
纳米纤维是指直径小于1000纳米的纤维，常见的制备方法有静电纺丝法，模板法，水热法，海岛法等技术工艺。其中静电纺丝法是唯一可以大规模量产纳米纤维的方法。
无机催化剂与纳米纤维结合，从而实现功能化纳米纤维的研究方法包括：直接混合法，表面涂覆法和核壳结构的中心填充法等。
理想的光触媒和纳米纤维的混合结构是半嵌入状态，这样，即可以保证光触媒对光的暴露状态，又可以避免脱落问题，从而实现长期高效性。然而，目前的现有技术中尚没有一种能够较好地制备此类纳米碳纤维的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光辐射制备镂空状半嵌入光触媒纳米纤维的方法，该方法是将光触媒和高分子混合纺丝与光辐射相结合，利用光触媒在光辐射条件下腐蚀高分子的技术，实现镂空状纳米光触媒半嵌入纳米纤维。
本发明采用的是光辐射腐蚀法，所用的方法主要含有四个步骤。第一步为高分子聚合物溶胶的制备；第二步为纳米纤维材料的制备；第三步为紫外光辐射造孔；第四步是预氧化、碳化。本发明实现上述发明目的所采用的具体技术方案如下：
光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维制备方法，包括以下步骤：先将光触媒纳米颗粒、高分子化合物和溶剂混合形成聚合物溶胶；然后以静电纺丝法纺出混合有光触媒纳米颗粒的高分子纤维；再将高分子纤维于紫外光下进行辐照，利用紫外光激发光触媒纳米颗粒降解颗粒周边高分子组分，形成光触媒纳米颗粒半镶嵌的纳米纤维；然后对纳米纤维进行碳化处理，得到光触媒纳米颗粒半嵌入的纳米碳纤维。
该方法中，光触媒纳米颗粒、高分子化合物和溶剂可以根据所需的纤维种类进行调整，光触媒纳米颗粒能够在紫外光辐照下对高分子纤维进行腐蚀嵌入即可。而紫外光辐照的时间需要根据光触媒纳米颗粒的腐蚀程度确定，以光触媒纳米颗粒半镶嵌半露出为宜，具体辐照强度、辐照时间根据试验进行调整。将纤维烧结成碳纤维可以在使用过程中终止光触媒进一步腐蚀纤维本体。
在上述方案基础上，本发明还可以采用一下优选方式中的一种或多种，各技术特征在没有冲突的情况下均可进行相互组合，不构成限制。
作为优选，所述的光触媒纳米颗粒为二氧化钛纳米颗粒，所述的高分子化合物为聚丙烯腈(PAN)，所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)。该溶胶体系能够较好地实现金属氧化物纳米颗粒与纤维的嵌入。
作为优选，对纳米纤维进行碳化处理前，需先进行预氧化处理。进一步的，所述预氧化处理中，预氧化温度为300℃，于空气气氛下预氧化30分钟。
作为优选，所述的静电纺丝法具体过程为：将聚合物溶胶置于针筒中，安装金属针头并连接高压静电电源，以接地铝箔设为负极，接通电源，纺丝。进一步的，所用电压为1.5万伏，纺丝距离15cm。
作为优选，所述的高分子纤维先剪碎分散于水溶液中后，再于紫外光下进行辐照。
作为优选，紫外光辐照时，紫外光灯源功率40W，辐射距离10cm，辐射时间48小时。
作为优选，所述碳化处理中，碳化温度为1000℃，于惰性气氛保护下进行。
本发明的另一目的在于提供一种光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维，它是通过上述任一项方案所述的方法制备得到的。
本发明采用光辐射腐蚀法，能够在高分子纤维上腐蚀出孔洞，并将纳米光触媒半嵌入纳米纤维内，即可以保证光触媒对光的暴露状态，又可以避免脱落问题，从而实现长期高效性。本发明获得的纳米纤维直径一般为亚微米级，孔大小一般为数十纳米。
附图说明
图1为纳米二氧化钛半嵌入镂空状纳米碳纤维显微电镜(SEM)照片，a～f为不同位置和分辨率下的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
实施例1
本实施例中，光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维制备方法，包括以下步骤：
1)在100毫升烧杯中加入0.2克二氧化钛纳米离子(P25)和1.5克PAN，倒入8.5克DMF，磁力搅拌2小时，静置24小时，制成PAN-TiO2溶胶；
2)将经步骤1)制备的溶胶取出5毫升于注射器内，安装金属针头，接高压电源，设置接地铝板为负极；
3)打开电源，调至15KV，轻压注射器至溶胶流出，纺丝；
4)将铝板上接收的纤维膜剪切为1cm×1cm的碎片，置于50毫升水溶液中，搅拌；
5)将搅拌均匀的溶液置于功率为40瓦的紫外光下辐射，距离10厘米，辐射时间48小时；
6)取出辐射后的纤维，真空烘箱80度干燥；
7)将干燥后的纳米纤维置于管式炉中，空气中加热至300度进行预氧化，升温速率10度/分钟；再于氮气保护下加热至1000度进行碳化，升温速率5度/分钟，氮气保护下冷却至室温。
将制备得到的碳纳米纤维黏贴在铝板衬底上，对其进行扫描电子显微电镜(SEM)表征，结果如图1所示。本实施例制得的碳纳米纤维直径约200-800纳米，纤维镂空直径一般小于200纳米。
实施例2
本实施例中，光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维制备方法，包括以下步骤：
1)在100毫升烧杯中加入0.1克二氧化钛纳米离子(P25)和1.5克PAN，倒入8.5克DMF，磁力搅拌2小时，静置24小时，制成PAN-TiO2溶胶；
2)将经步骤1)制备的溶胶取出5毫升于注射器内，安装金属针头，接高压电源，设置接地铝板为负极；
3)打开电源，调至15KV，轻压注射器至溶胶流出，纺丝；
4)将铝板上接收的纤维膜剪切为1cm×1cm的碎片，置于50毫升水溶液中，搅拌；
5)将搅拌均匀的溶液置于功率为40瓦的紫外光下辐射，距离10厘米，辐射时间48小时；
6)取出辐射后的纤维，真空烘箱80度干燥；
7)将干燥后的纳米纤维置于管式炉中，空气中加热至300度进行预氧化，升温速率10度/分钟；再于氮气保护下加热至1000度进行碳化，升温速率5度/分钟，氮气保护下冷却至室温。
将制备得到的碳纳米纤维黏贴在铝板衬底上，其SEM表征的纤维结构与实施例1相似。但本实施例中，碳纳米纤维直径约200-800纳米，纤维镂空直径一般小于100纳米，孔数较实施例1少。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，光触媒纳米颗粒、高分子化合物和溶剂可以根据需要进行调整，而制备参数也可以做相应的调整。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维制备方法，其特征在于，包括以下步骤：先将光触媒纳米颗粒、高分子化合物和溶剂混合形成聚合物溶胶；然后以静电纺丝法纺出混合有光触媒纳米颗粒的高分子纤维；再将高分子纤维于紫外光下进行辐照，利用紫外光激发光触媒纳米颗粒降解颗粒周边高分子组分，形成光触媒纳米颗粒半镶嵌的纳米纤维；然后对纳米纤维进行碳化处理，得到光触媒纳米颗粒半嵌入的纳米碳纤维；所述的光触媒纳米颗粒为二氧化钛纳米颗粒，所述的高分子化合物为聚丙烯腈，所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
2.如权利要求1所述的光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维制备方法，其特征在于，对纳米纤维进行碳化处理前，需先进行预氧化处理。
3.如权利要求1所述的光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维制备方法，其特征在于，所述的静电纺丝法具体过程为：将聚合物溶胶置于针筒中，安装金属针头并连接高压静电电源，以接地铝箔设为负极，接通电源，纺丝。
4. 如权利要求3所述的光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维制备方法，其特征在于，所用电压为1.5万伏，纺丝距离15 cm。
5.如权利要求1所述的光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维制备方法，其特征在于，所述的高分子纤维先剪碎分散于水溶液中后，再于紫外光下进行辐照。
6. 如权利要求1所述的光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维制备方法，其特征在于，紫外光辐照时，紫外光灯源功率40W，辐射距离10 cm，辐射时间48小时。
7.如权利要求1所述的光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维制备方法，其特征在于，所述碳化处理中，碳化温度为1000℃，于惰性气氛保护下进行。
8.如权利要求2所述的光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维制备方法，其特征在于，所述预氧化处理中，预氧化温度为300℃，于空气气氛下预氧化30分钟。
9.一种如权利要求1~8任一项所述的方法制备得到的光触媒纳米颗粒镶嵌的纳米碳纤维。
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