CN110540430B - 一种具有多级结构的压电光催化复合纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有多级结构的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，配制纺丝液预埋晶种；步骤2，静电纺丝制备光催化纤维；步骤3，水热制备一级压电光催化复合纤维；步骤4，制备多级压电光催化复合纤维；步骤5，将步骤4所得的多级压电光催化复合纤维进行煅烧处理，得到具有多级结构的压电光催化复合纤维。本发明一种具有多级结构的压电光催化复合纤维的制备方法，解决了现有技术中压电材料与光催化材料结合界面数量有限导致的光催化效率较低的问题。

Description

一种具有多级结构的压电光催化复合纤维的制备方法
技术领域
本发明属于复合纤维制备方法技术领域，涉及一种具有多级结构的压电光催化复合纤维的制备方法。
背景技术
近年来ZnO、TiO2等作为一种高效、无毒、价廉的半导体光催化材料被广泛应用于污水处理、抗菌灭活、水裂解制氢等领域，然而，由于光生载流子的复合率高等问题致使光催化效率较低。压电效应是分离光生电子空穴对的一种有效方法，利用压电效应可构建内置电场，促进光生载流子的分离，从而实现利用太阳能和机械能提高压电光催化效率。
通过静电纺丝技术与水热处理将压电材料和光催化材料结合，制备出压电光催化复合纤维。压电陶瓷与光催化剂的结合界面处可通过压电效应所产生的内建电场有效地促进光生载流子的分离，从而提高光催化效率。然而，目前压电光催化材料的复合界面数量有限，并且多数光催化剂没有暴露出来造成光催化效率提高不显著。因此提高压电光催化材料中的复合界面数量显得尤为重要。
Wang等人(Wang L,Haugen N O,Wu Z,et al.Ferroelectric BaTiO3@ZnOheterostructure nanofibers with enhanced pyroelectrically-driven-catalysis[J].Ceramics International,2019,45:90-95.)通过水热法制备了BaTiO3纳米纤维以及ZnO粉末，然后在含ZnO的醇溶液中浸渍后烧结获得具有异质结结构的BaTiO3@ZnO，其催化活性较好并且具有热电驱动催化作用。然而，在BaTiO3纳米纤维表面浸渍获得的ZnO分布不均、光催化剂和压电材料间的复合界面较少，限制了光催化效率的进一步提高。
Li等人(Li Q,Li R,Zong L,et al.Photoelectrochemical and photocatalyticproperties of Ag-loaded BaTiO3/TiO2 heterostructure nanotube arrays[J].International Journal of Hydrogen Energy,2013,38(29):12977-12983.)通过二次阳极氧化法制备出TiO2纳米管阵列，再通过水热法制得了BaTiO3/TiO2异质结构的纳米管阵列，其光电化学性能较好，但是BaTiO3颗粒随机分布在纳米管壁和纳米管中，这不但减少了TiO2本身参与催化反应的比表面积，且无法达到复合界面数量的最大化，导致光催化效率提高受限。
李跃军等人(李跃军,曹铁平,梅泽民.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,2014,29(07):741-746.)通过静电纺丝技术制得TiO2纳米纤维，采用水热法原位合成了BaTiO3/TiO2复合纳米纤维，其对于罗丹明B和苯酚的降解率较好。但是，其水热处理在TiO2纳米纤维上的BaTiO3颗粒分布十分密集，几乎将TiO2纤维全覆盖，复合界面暴露较少，限制了光催化效率的进一步提高。
中国专利《一种MoS2纳米片包覆KNbO3纳米线压电/光催化材料的制备方法》(申请号：201910063881，授权号：CN109647445A，公告日：2019.04.19)使用两步水热法，合成了MoS2/KNbO3异质结构压电/光催化材料，利用异质结构的协同效应以及机械振动诱导的内建电场促进了电荷的分离。但同样存在纳米片在纳米线上生长不均、复合界面较少等问题。
中国专利《一种压电光催化复合纤维的制备方法》(申请号：201810296345.4，授权号：CN108411406B，公告日：2019.03.22)公开了一种压电光催化复合纤维的制备方法，使用同轴静电纺丝技术得到以线接触的高界面密度的复合纤维，但压电陶瓷纤维上的复合界面数量有限，使得光催化效率进一步提高受限。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有多级结构的压电光催化复合纤维的制备方法，解决了现有技术中压电材料与光催化材料结合界面数量有限导致的光催化效率较低的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种具有多级结构的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，配制纺丝液预埋晶种
分别将一定量的压电陶瓷颗粒、光催化剂前驱体、可纺聚合物加入到一定量的溶剂中搅拌均匀，得到预埋压电陶瓷晶种的纺丝液；
步骤2，静电纺丝制备光催化纤维
将步骤1得到的纺丝液置入推进泵中，选择合适的纺丝电压、推进速度、接收距离、温度以及湿度，进行静电纺丝，再进行煅烧处理后得到预埋压电陶瓷晶种的复合纳米纤维；
步骤3，水热制备一级压电光催化复合纤维
将步骤2得到的预埋压电陶瓷晶种的复合纤维在含有压电陶瓷前驱体的水热溶液中进行水热处理，选择合适水热时间和温度，水热处理后得到一级压电光催化复合纳米纤维；
步骤4，制备多级压电光催化复合纤维
将步骤3所得的一级压电光催化复合纤维置入含有光催化剂前驱体的水热溶液中，进行二次水热处理后得到多级压电光催化复合纤维；
步骤5，煅烧处理
将步骤4所得的多级压电光催化复合纤维进行煅烧处理，得到具有多级结构的压电光催化复合纤维。
本发明的特征还在于，
步骤1中的预埋压电陶瓷晶种的纺丝液按照质量百分比由以下物质组成：2％～5％的压电陶瓷颗粒、8％～15％的光催化剂前驱体、11％～16％可纺聚合物、64％～79％的溶剂，以上组分质量总和为100％。
步骤1中的压电陶瓷颗粒为BaTiO3纳米颗粒、BiFeO3纳米颗粒、Bi4Ti3O12纳米颗粒中的任意一种，其粒径为150nm～200nm；步骤1中的光催化剂前驱体为锌盐、钛盐以及钛的化合物、镉盐以及镉的化合物中的任意一种或多种；可纺聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇等中的任意一种；溶剂为乙醇、乙醇胺、冰醋酸、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮等中的任意一种或多种；锌盐为乙酸锌、硝酸锌中的任意一种或两种，钛盐以及钛的化合物为硫酸钛、四氯化钛中的任意一种或两种，镉盐以及镉的化合物为四水硝酸镉、氯化镉中的任意一种或两种。
步骤2中静电纺丝的参数为：纺丝电压为16kV～18kV，接收距离为15cm～18cm，纺丝温度为20℃～30℃，湿度为10％～20％，推进速度为：0.15mL/h～0.3mL/h；
步骤2中煅烧处理为：将静电纺丝得到的预埋晶种的前驱体纤维在500℃～650℃下煅烧，保温1h～2h，得到预埋压电陶瓷晶种的复合纳米纤维。
步骤3中的水热处理为：对步骤2中所得到预埋压电陶瓷晶种的复合纳米纤维在含有压电陶瓷前驱体的水热溶液中进行水热处理，水热温度为200℃～210℃，水热时间为2h～6h。
步骤3中的压电陶瓷前驱体为钛的前驱体、钡盐、铋盐、铁盐中的任意两种或多种组合而成；钛的前驱体为钛酸异丙酯、钛酸丁酯、四氯化钛、异丙醇钛中的任意一种或多种；钡盐为乙酸钡、氯化钡、硝酸钡中的任意一种或多种；铋盐为硝酸铋、氯化铋中的任意一种或两种；铁盐为硝酸铁、氯化铁中的任意一种或两种；步骤3中的水热溶液由去离子水和无水乙醇组成。
步骤4中的水热处理为：对步骤3中得到的一级压电光催化结构的复合纤维在含有光催化剂前驱体的水热溶液中进行水热处理，水热温度为160℃～180℃，水热时间为2h～3h。
步骤4中的光催化剂前驱体为锌盐、钛盐以及钛的化合物、镉盐以及镉的化合物中的任意一种或多种；其中，锌盐为乙酸锌、硝酸锌中的任意一种或两种，钛盐以及钛的化合物为硫酸钛、四氯化钛中的任意一种或两种，镉盐以及镉的化合物为四水硝酸镉、氯化镉中的任意一种或两种；步骤4中的水热溶液由中性介质和碱性介质混合而成，其中，中性介质为去离子水，碱性介质为氨水、氢氧化钠、尿素中的任意一种。
步骤5中煅烧处理为：将步骤4得到的多级压电光催化复合纤维在600℃～800℃下煅烧，保温1～2h。
本发明的有益效果是：本发明一种具有多级结构的压电光催化复合纤维的制备方法，能过获得极大数量并且暴露在表面的压电光催化复合界面，充分发挥复合界面处的内电场作用驱动光生载流子的分离，提高光催化效率。同时，预埋的压电陶瓷晶种通过水热处理，与光催化纤维之间的结合更紧密，提高了加载外力后复合纤维的使用性。并且，在外力作用下，压电陶瓷纳米棒所产生的压电效应会同时影响与其光催化剂纤维以及光催化剂颗粒之间的复合界面，从而驱动更多的光生载流子分离，高效提高光催化效率。在有机化学品和染料的降解、抗菌灭活、水裂解制氢等领域有广阔的前景。
附图说明
图1是本发明制备的具有多级压电光催化结构的复合纤维单根形貌示意图。
图中，1.光催化剂纤维，2.压电陶瓷纳米棒，3.光催化剂纳米颗粒。
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。
本发明一种具有多级结构的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，配制纺丝液预埋晶种
分别将一定量的压电陶瓷颗粒、光催化剂前驱体、可纺聚合物加入到一定量的溶剂中搅拌均匀，得到预埋压电陶瓷晶种的纺丝液，其中，压电陶瓷颗粒为2％～5％、光催化剂前驱体为8％～15％、可纺聚合物为11％～16％、溶剂为64％～79％，以上组分质量总和为100％；其中，压电陶瓷颗粒为BaTiO3纳米颗粒、BiFeO3纳米颗粒、Bi4Ti3O12纳米颗粒中的任意一种，其粒径为150nm～200nm；步骤1中的光催化剂前驱体为锌盐、钛盐以及钛的化合物、镉盐以及镉的化合物中的任意一种或多种；可纺聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇等中的任意一种；溶剂为乙醇、乙醇胺、冰醋酸、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮等中的任意一种或多种；锌盐为乙酸锌、硝酸锌中的任意一种或两种，钛盐以及钛的化合物为硫酸钛、四氯化钛中的任意一种或两种，镉盐以及镉的化合物为四水硝酸镉、氯化镉中的任意一种或两种；
步骤2，静电纺丝制备光催化纤维
将步骤1得到的纺丝液置入推进泵中，静电纺丝的参数为：纺丝电压为16kV～18kV，接收距离为15cm～18cm，纺丝温度为20℃～30℃，湿度为10％～20％，推进速度为：0.15mL/h～0.3mL/h，进行静电纺丝，再进行煅烧处理，煅烧温度为500℃～650℃，保温1h～2h，后得到预埋压电陶瓷晶种的复合纳米纤维；
步骤3，水热制备一级压电光催化复合纤维
将步骤2得到的预埋压电陶瓷晶种的复合纤维在含有压电陶瓷前驱体的水热溶液中进行水热处理，水热温度为200℃～210℃，水热时间为2h～6h，水热处理后得到一级压电光催化复合纳米纤维；其中，压电陶瓷前驱体为钛的前驱体、钡盐、铋盐、铁盐中的任意两种或多种组合而成；钛的前驱体为钛酸异丙酯、钛酸丁酯、四氯化钛、异丙醇钛中的任意一种或多种；钡盐为乙酸钡、氯化钡、硝酸钡中的任意一种或多种；铋盐为硝酸铋、氯化铋中的任意一种或两种；铁盐为硝酸铁、氯化铁中的任意一种或两种；水热溶液由去离子水和无水乙醇组成；
步骤4，制备多级压电光催化复合纤维
将步骤3所得的一级压电光催化复合纤维置入含有光催化剂前驱体的水热溶液中，水热温度为160℃～180℃，水热时间为2h～3h，进行二次水热处理后得到多级压电光催化复合纤维；其中，光催化剂前驱体为锌盐、钛盐以及钛的化合物、镉盐以及镉的化合物中的任意一种或多种；其中，锌盐为乙酸锌、硝酸锌中的任意一种或两种，钛盐以及钛的化合物为硫酸钛、四氯化钛中的任意一种或两种，镉盐以及镉的化合物为四水硝酸镉、氯化镉中的任意一种或两种；水热溶液由中性介质和碱性介质混合而成，其中，中性介质为去离子水，碱性介质为氨水、氢氧化钠、尿素中的任意一种；
步骤5，煅烧处理
将步骤4所得的多级压电光催化复合纤维进行煅烧处理，煅烧温度为600℃～800℃，保温1～2h，得到具有多级结构的压电光催化复合纤维。
本发明选择直径在150nm～200nm的压电陶瓷颗粒，此范围内的压电陶瓷颗粒在静电纺丝时，通过纺丝电压以及接受距离的控制可以暴露在光催化纤维的表面；并且在晶种水热生长时，通过控制水热温度以及水热时间使得晶种生长为压电陶瓷纳米棒；且光催化纤维与压电陶瓷纳米棒之间的结合力更高。再通过二次水热生长，在水热温度为160～180℃，水热时间为2h～3h的范围内控制压电陶瓷纳米棒水热生长上与光催化纤维同种材料的光催化剂纳米颗粒，经煅烧后获得界面结合牢固的压电光催化多级结构复合纤维。
压电陶瓷纳米棒与光催化纤维以及光催化颗粒之间的多重结合使得压电光催化复合界面数量大量增加。在载荷作用下，可充分发挥复合界面处的内电场作用驱动光生载流子的分离，提高光催化效率。同时，预埋的压电陶瓷晶种通过水热生长，与光催化纤维之间的结合更紧密，提高了加载外力后复合纤维的使用性。并且，在外力作用下，压电陶瓷纳米棒所产生的压电效应会同时影响与其光催化剂纤维以及光催化剂颗粒之间的复合界面，从而驱动更多的光生载流子分离，高效提高光催化效率。在有机化学品和染料的降解、抗菌灭活、水裂解制氢等领域有广阔的前景。
实施例1
制备ZnO/BaTiO3/ZnO多级压电光催化结构复合纤维
将1.5g聚乙烯吡咯烷酮完全溶解于11ml无水乙醇中，再加入1g醋酸锌，待溶液搅拌均匀后将0.29g BaTiO3颗粒均匀的分散其中，得到纺丝液。
将纺丝液置入推进泵中，调节纺丝电压为16kV，接受距离为15cm，纺丝温度为30℃，湿度为10％，推进速度为0.3mL/h，进行静电纺丝。将静电纺丝得到的预埋晶种的前驱体纤维在550℃下煅烧，保温2h，得到预埋BaTiO3晶种的ZnO光催化纤维。
将预埋BaTiO3晶种的ZnO光催化纤维进行水热处理，将1.893gBa(OH)2·8H2O加热溶于75ml的去离子水中，1.702g钛酸四丁酯溶于25ml的无水乙醇中，混合两个溶液后，加入2mol/L的NaOH作为矿化剂。将其移至反应釜中，体积为反应釜容积的80％，将获得预埋BaTiO3晶种的ZnO光催化纤维置入生长溶液中，在200℃下水热6h。随烘箱冷却后，将复合纤维膜取出用无水乙醇和去离子水清洗若干次，80℃下干燥12h，得到ZnO/BaTiO3一级压电光催化复合纤维。
将ZnO/BaTiO3一级压电光催化复合纤维膜进行二次水热处理，将0.357g六水合硝酸锌与0.168g六亚甲基四胺溶于40ml去离子水作为生长溶液。将其超声15min后，移至反应釜中，加去离子水至反应釜容积的80％，将ZnO BaTiO3一级压电光催化复合纤维置入生长溶液中，随后将反应釜置入烘箱中，160℃下水热3h。水热完毕后，将纤维膜用无水乙醇和去离子水清洗若干次，70℃下干燥12h，得到ZnO/BaTiO3/ZnO多级压电光催化复合纤维膜。
将ZnO/BaTiO3/ZnO多级压电光催化复合纤维在800℃下煅烧，保温1小时，得到界面结合牢固的ZnO/BaTiO3/ZnO多级压电光催化复合纤维。
实施例2
制备ZnO/BiFeO3/ZnO多级压电光催化复合纤维
将1.24g聚乙烯吡咯烷酮完全溶解于6ml无水乙醇中，再加入1.35g醋酸锌，待溶液搅拌均匀后将0.47g BiFeO3颗粒均匀的分散其中，得到纺丝液。
将纺丝液置入推进泵中，调节纺丝电压为16kV，接受距离为15cm，纺丝温度为30℃，湿度为10％，推进速度为0.2mL/h，进行静电纺丝。将静电纺丝得到的预埋晶种的前驱体纤维在500℃下煅烧，保温2h，得到预埋BiFeO3晶种的ZnO光催化纤维。
将预埋BiFeO3晶种的光催化纤维进行水热处理，将0.485gBi(NO3)3·5H2O和0.808g Fe(NO3)3·9H2O溶于20ml的0.1mol的稀硝酸中搅拌均匀，加入2mol/L的NaOH将溶液pH值调至大于12。待溶液稳定后将其移至反应釜中，加去离子水至反应釜容积的80％，将获得预埋BiFeO3晶种的ZnO光催化纤维置入生长溶液中，在210℃下水热2h。随烘箱冷却后，将复合纤维膜取出用无水乙醇和去离子水清洗若干次，80℃下干燥12h，得到ZnO/BiFeO3一级压电光催化复合纤维。
将ZnO/BiFeO3一级压电光催化复合纤维膜进行二次水热处理，将0.238g六水合硝酸锌与0.112g六亚甲基四胺溶于40ml去离子水作为生长溶液。将其超声15min后，移至反应釜中，加去离子水至反应釜容积的80％，将ZnO/BiFeO3一级压电光催化复合纤维置入生长溶液中，随后将反应釜置入烘箱中，180℃下水热2h。水热完毕后，将纤维膜用无水乙醇和去离子水清洗若干次，70℃下干燥12h，得到ZnO/BiFeO3/ZnO多级压电光催化复合纤维膜。
将ZnO/BiFeO3/ZnO多级压电光催化复合纤维在600℃下煅烧，保温2小时，得到界面结合牢固的ZnO/BiFeO3/ZnO多级压电光催化复合纤维。
实施例3
制备TiO2/BiFeO3/TiO2多级压电光催化复合纤维
将1.092g聚乙烯醇完全溶解于4ml无水乙醇和5ml乙酸的混合溶剂中，再加入1g四异丙醇钛，待溶液搅拌均匀后将0.44g BiFeO3颗粒均匀的分散其中，得到纺丝液。
将纺丝液置入推进泵中，调节纺丝电压为18kV，接受距离为18cm，纺丝温度为30℃，湿度为10％，推进速度为0.15mL/h，进行静电纺丝。将静电纺丝得到的预埋晶种的前驱体纤维在650℃下煅烧，保温1h，得到预埋BiFeO3晶种的TiO2光催化纤维。
将预埋BiFeO3晶种的TiO2光催化纤维进行水热处理，将0.387gBi(NO3)3·5H2O和0.794gFe(NO3)3·9H2O溶于20ml的0.1mol的稀硝酸中搅拌均匀，加入2mol/L的NaOH将溶液pH值调至大于12。待溶液稳定后将其移至反应釜中，加去离子水至反应釜容积的80％，将预埋BiFeO3晶种的TiO2光催化纤维置入生长溶液中，在200℃下水热6h。随烘箱冷却后，将复合纤维膜取出用无水乙醇和去离子水清洗若干次，80℃下干燥12h，得到TiO2/BiFeO3一级压电光催化复合纤维。
将TiO2/BiFeO3一级压电光催化复合纤维膜进行二次水热处理，将0.867g TiCl4溶于40ml去离子水，将获得的溶液移至反应釜中，加去离子水至反应釜容积的80％，将TiO2/BiFeO3一级压电光催化复合纤维置入水热溶液中，随后将反应釜置入烘箱中，180℃下水热3h。水热完毕后，将纤维膜用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗若干次，70℃下干燥12h，得到多级压电光催化复合纤维。
将TiO2/BiFeO3/TiO2多级压电光催化复合纤维在600℃下煅烧，保温1小时，得到界面结合牢固的TiO2/BiFeO3/TiO2多级压电光催化复合纤维。
实施例4
制备ZnO/Bi4Ti3O12/ZnO多级压电光催化复合纤维
将0.6g聚乙烯吡咯烷酮完全溶解于7ml N,N-二甲基甲酰胺中，再加入0.7g硝酸锌，待溶液搅拌均匀后将0.703g Bi4Ti3O12颗粒均匀的分散其中，得到纺丝液。
将纺丝液置入推进泵中，调节纺丝电压为18kV，接受距离为15cm，纺丝温度为20℃，湿度为20％，推进速度为0.1mL/h，进行静电纺丝。将静电纺丝得到的预埋晶种的前驱体纤维在550℃下煅烧，保温2h，得到预埋Bi4Ti3O12晶种的ZnO光催化纤维。
将预埋Bi4Ti3O12晶种的ZnO光催化纤维进行水热处理，将0.582gBi(NO3)3·5H2O和0.171g TiCl4分别溶于20ml的0.1mol的稀硝酸和无水乙醇中并搅拌均匀，加入3mol/L的NaOH将溶液pH值调至大于12。待溶液稳定后将其移至反应釜中，加去离子水至反应釜容积的80％，将预埋Bi4Ti3O12晶种的ZnO光催化纤维置入生长溶液中在210℃下水热6h。随烘箱冷却后，将复合纤维膜取出用无水乙醇和去离子水清洗若干次，80℃下干燥12h，得到ZnO/Bi4Ti3O12一级压电光催化复合纤维。
将ZnO/Bi4Ti3O12一级压电光催化复合纤维膜进行二次水热处理，将0.238g六水合硝酸锌与0.112g六亚甲基四胺溶于40ml去离子水作为生长溶液。将其超声15min后，移至反应釜中，加去离子水至反应釜容积的80％，将ZnO/Bi4Ti3O12一级压电光催化复合纤维膜置入生长溶液中，随后将反应釜置入烘箱中，160℃下水热2h。水热完毕后，将纤维膜用无水乙醇和去离子水清洗若干次，70℃下干燥12h，得到ZnO/Bi4Ti3O12/ZnO多级压电光催化复合纤维膜。
将ZnO/Bi4Ti3O12/ZnO多级压电光催化复合纤维在600℃下煅烧，保温1小时，得到界面结合牢固的ZnO/Bi4Ti3O12/ZnO多级压电光催化复合纤维。
表1是实施例1中ZnO/BaTiO3/ZnO多级压电光催化复合纤维、ZnO/BaTiO3压电光催化复合纤维、BaTiO3/ZnO压电光催化复合纤维以及ZnO纤维的直径对光催化亚甲基蓝的降解率对比。从表1可以看出，纯ZnO纤维的光催化降解率最低，是由于纯光催化剂的光生载流子的复合率较高导致，BaTiO3/ZnO压电光催化复合纤维与ZnO/BaTiO3压电光催化复合纤维相比，亚甲基蓝的降解率较低，是因为与ZnO/BaTiO3复合纤维中光催化剂纤维作为主体，再引入压电材料，使得二者的界面处由于压电效应引起的内电场作用可有效驱动光生载流子的分离，提高了光催化效率，而BaTiO3/ZnO复合纤维中压电陶瓷纤维为主体，参与反应的光催化剂较少。ZnO/BaTiO3压电光催化复合纤维与实施例1中的复合纤维的亚甲基蓝降解率相比较低，是由于光催化纤维上的复合界面有限，未能充分发挥其作用。实施例1中的ZnO/BaTiO3/ZnO多级压电光催化复合纤维，不仅具备光催化纤维与压电陶瓷纳米棒之间的复合界面，同时压电陶瓷纳米棒上还具有许多的光催化剂颗粒，这使得压电光催化复合界面数量大大增加，高效的利用其界面处的内电场作用驱动光生电子空穴对的分离，进一步提高了光催化效率。
表1
Figure GDA0003160445780000131
图1是本发明制备的具有压电光催化多级结构的复合纤维单根形貌示意图，从图1中可以看出压电陶瓷纳米棒与光催化纤维以及光催化剂颗粒之间的复合界面数量极多。

Claims (5)

1.一种具有多级结构的压电光催化复合纤维的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，配制纺丝液预埋晶种
分别将一定量的压电陶瓷颗粒、光催化剂前驱体、可纺聚合物加入到一定量的溶剂中搅拌均匀，得到预埋压电陶瓷晶种的纺丝液；
其中，预埋压电陶瓷晶种的纺丝液按照质量百分比由以下物质组成：2%~5%的压电陶瓷颗粒、8%~15%的光催化剂前驱体、11%~16%可纺聚合物、64%~79%的溶剂，以上组分质量总和为100%；
所述压电陶瓷颗粒为BaTiO3纳米颗粒、 BiFeO3纳米颗粒、 Bi4Ti3O12纳米颗粒中的任意一种，其粒径为150nm~200nm；步骤1中所述的光催化剂前驱体为锌盐、钛盐以及钛的化合物、镉盐以及镉的化合物中的任意一种或多种；可纺聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的任意一种；溶剂为乙醇、乙醇胺、冰醋酸、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮中的任意一种或多种；锌盐为乙酸锌、硝酸锌中的任意一种或两种，钛盐以及钛的化合物为硫酸钛、四氯化钛中的任意一种或两种，镉盐以及镉的化合物为四水硝酸镉、氯化镉中的任意一种或两种；
步骤2，静电纺丝制备光催化纤维
将步骤1得到的纺丝液置入推进泵中，选择纺丝电压为16 kV~18kV，接收距离为15cm~18cm，纺丝温度为20℃～30℃，湿度为10%~20%，推进速度为：0.15 mL/h ~0.3 mL/h，进行静电纺丝，再进行煅烧处理后得到预埋压电陶瓷晶种的复合纳米纤维；
步骤3，水热制备一级压电光催化复合纤维
将步骤2得到的预埋压电陶瓷晶种的复合纤维在含有压电陶瓷前驱体的水热溶液中进行水热处理，水热温度为200℃~210℃，水热时间为2h~6h，水热处理后得到一级压电光催化复合纳米纤维；
步骤4，制备多级压电光催化复合纤维
将步骤3所得的一级压电光催化复合纤维置入含有光催化剂前驱体的水热溶液中，进行二次水热处理，水热温度为160℃~180℃，水热时间为2h~3h，得到多级压电光催化复合纤维；
步骤5，煅烧处理
将步骤4所得的多级压电光催化复合纤维进行煅烧处理，得到具有多级结构的压电光催化复合纤维。
2.根据权利要求1所述的一种具有多级结构的压电光催化复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤2中煅烧处理为：将静电纺丝得到的预埋晶种的前驱体纤维在500℃~650℃下煅烧，保温1h~2h，得到预埋压电陶瓷晶种的复合纳米纤维。
3.根据权利要求1所述的一种具有多级结构的压电光催化复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤3中的压电陶瓷前驱体为钛的前驱体、钡盐、铋盐、铁盐中的任意两种或多种组合而成；所述钛的前驱体为钛酸异丙酯、钛酸丁酯、四氯化钛、异丙醇钛中的任意一种或多种；所述钡盐为乙酸钡、氯化钡、硝酸钡中的任意一种或多种；所述铋盐为硝酸铋、氯化铋中的任意一种或两种；所述铁盐为硝酸铁、氯化铁中的任意一种或两种；所述步骤3中的水热溶液由去离子水和无水乙醇组成。
4.根据权利要求1所述的一种具有多级结构的压电光催化复合纤维的制备方法，其特征在于，步骤4中所述的光催化剂前驱体为锌盐、钛盐以及钛的化合物、镉盐以及镉的化合物中的任意一种或多种；其中，锌盐为乙酸锌、硝酸锌中的任意一种或两种，钛盐以及钛的化合物为硫酸钛、四氯化钛中的任意一种或两种，镉盐以及镉的化合物为四水硝酸镉、氯化镉中的任意一种或两种；步骤4中所述的水热溶液由中性介质和碱性介质混合而成，其中，中性介质为去离子水，碱性介质为氨水、氢氧化钠、尿素中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种具有多级结构的压电光催化复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤5中煅烧处理为：将步骤4得到的多级压电光催化复合纤维在600℃~800℃下煅烧，保温1~2h。
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