CN112473645A - 一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空气污染处理领域，且公开了一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料，将多孔碳纤维用浓硝酸进行氧化改性，使活性炭纤维表面具有大量的氧官能团，这些活性基团对甲醛具有很好的化学吸附活性，提高了光催化材料的吸附效率，以氟化钠为腐蚀剂，形成多孔结构，增加了纳米TiO2的比表面积，通过在纳米TiO2中掺杂Yb元素，使晶格发生畸变，并且形成杂质能级，降低了TiO2的禁带宽度，降低了光生电子‑空穴的复合率，提高了光催化降解甲醛性能，并且活性碳纤维搭载介孔TiO2结构，将活性碳纤维的吸附效果与TiO2的光催化作用达到协同作用，具有吸附和光催化降解甲醛的双功能效果。
Description
技术领域
本发明涉及空气污染处理领域，具体为一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料及制备方法。
背景技术
甲醛作为室内主要的空气污染物之一，对鼻腔、呼吸道等组织都有很强的刺激性，同时具有强致癌性，即使在较低的浓度下，长时间的处于甲醛污染的室内环境中也会给人体带来非常严重的损害，因此，室内甲醛净化一直是人们关注的热点，目前常见的室内甲醛净化方法主要有吸附法与非均项催化法，但是常规活性炭吸附选择性较差，而过度金属催化剂等催化剂虽然降解效率高，通常需要热源，限制了其广泛应用，而纳米多孔材料，凭借其特殊的多孔结构，在甲醛净化中具有非常大潜在的优势。
二氧化钛作为典型的光催化材料，具有氧化性强，无毒无害，化学性质稳定等优点，在光催化降解甲醛具有广泛的应用，但是TiO2受光激发产生的光生电子和空穴极易复合，影响了其光催化性能，导致其量子效率不高，光催化活性较低，目前可以通过掺杂元素引入空位缺陷等方法，提高二氧化钛的光催化活性，并且可以将二氧化钛与多孔吸附材料进行结合，得到具有吸附和光催化降解甲醛的双功能材料，更好地应用于甲醛的吸附和降解治理中。
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料及制备方法，解决了多孔碳基材料对甲醛选择性吸附性较差的问题，同时解决了传统的二氧化钛对甲醛的光催化降解性能不高的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料制备方法包括以下步骤：
(1)将聚丙烯腈纤维于气氛炉中，在空气氛围中250-300℃中，预氧化30-60min，然后在氮气氛围中，升温至700-800℃下煅烧，得到聚丙烯腈基活性碳纤维，再在浓硝酸中处理，过滤洗涤并干燥，得到氧化改性的活性碳纤维；
(2)将乙醇溶剂中加入钛酸四丁酯和冰醋酸，进行水解，再加入硝酸镱的水溶液，于聚四氟乙烯反应釜内进行水热反应，在120-160℃的温度下，水热反应10-14h，再进行离心分离，洗涤烘干，研磨成粉，置于气氛炉中，空气氛围中，升温至400-600℃下，煅烧2-4h，得到Yb掺杂纳米TiO2；
(3)向蒸馏水中加入Yb掺杂纳米TiO2和聚乙烯吡洛烷酮，搅拌均匀后加入氟化钠，将溶液在聚四氟乙烯反应釜中，在100-130℃反应4-6h，洗涤干燥后，固体产物置于气氛炉中，空气氛围中，升温至300-400℃温度煅烧3-5h得到Yb掺杂多孔纳米TiO2；
(4)向蒸馏水溶剂中加入Yb掺杂多孔纳米TiO2和活性碳纤维，超声分散均匀后，匀速搅拌12-24h，真空干燥除去溶剂，制备得到改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料。
优选的，步骤(1)中浓硝酸浓度为55-75％，处理时间为20-30h。
优选的，步骤(2)中的硝酸镱、钛酸四丁酯的物质的量为1-2:100。
优选的，步骤(3)中Yb掺杂纳米TiO2、氟化钠、聚乙烯吡洛烷酮的质量比为100:6-12:8-15。
优选的，步骤(3)中气氛炉包括炉管，炉管固定连接有进料口，炉管固定连接有出料口，炉管固定连接有控温系统，控温系统与测温元件固定连接，控温系统通过温度补偿线与温度控制器相连，炉管与隔温层固定连接，炉管固定连接有加热元件，炉管固定连接有支撑架。
优选的，步骤(4)中Yb掺杂多孔纳米TiO2和活性碳纤维的质量比为35-55:100。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下实验原理和有益技术效果：
该一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料，将多孔碳纤维用浓硝酸进行氧化改性，使活性炭纤维表面具有大量的内酯基、酚羟基、羧基等含氧官能团，这些活性基团对甲醛具有很好的化学吸附活性，极大的增强了对甲醛的化学吸附能力，提高了光催化材料的吸附效率。
该一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料，以氟化钠为腐蚀剂，腐蚀Yb掺杂纳米TiO2表面的聚乙烯吡洛烷酮未保护的部分，从而形成多孔结构，极大的增加了纳米TiO2的比表面积，增强了材料的催化效率，通过在纳米TiO2中掺杂Yb元素，Yb取代了部分Ti的晶格，产生的Yb-O-Ti键，使晶格发生畸变，抑制了晶粒的生长，可以改善纳米TiO2的分散性，减少团聚，同时Yb掺杂形成杂质能级，降低了TiO2的禁带宽度，提高对光能的吸收效率，促进价带中的电子激发到导带中，促进光生电子和空穴的分离，降低了光生电子-空穴的复合率，可以产生丰富的活性羟基自由基，而活性羟基自由基与甲醛发生氧化还原反应，将甲醛高效的降解成二氧化碳和水，实现高效的光催化降解甲醛过程。
该一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料，并且活性碳纤维搭载介孔TiO2结构，将活性碳纤维的吸附效果与TiO2的光催化作用达到协同作用，将捕捉到的甲醛与Yb掺杂多孔纳米TiO2充分接触，从而具有吸附和光催化降解甲醛的双功能效果。
附图说明
图1是气氛炉结构示意图；
图2是加热元件截面示意图。
1-炉管；2-进料口；3-出料口；4-控温系统；5-测温元件；6-温度补偿线；7-温度控制器；8-隔温层；9-加热元件；10-支撑架。
具体实施方式
(1)将聚丙烯腈纤维于气氛炉中，在空气氛围中250-300℃中，预氧化30-60min，然后在氮气氛围中，升温至700-800℃下煅烧，得到聚丙烯腈基活性碳纤维，再在浓度为55-75％的浓硝酸中，处理20-30h，过滤洗涤并干燥，得到氧化改性的活性碳纤维；
(2)将乙醇溶剂中加入钛酸四丁酯和冰醋酸，进行水解，再加入硝酸镱的水溶液，硝酸镱、钛酸四丁酯的物质的量为1-2:100，于聚四氟乙烯反应釜内进行水热反应，在120-160℃的温度下，水热反应10-14h，再进行离心分离，洗涤烘干，研磨成粉，置于气氛炉中，空气氛围中，升温至400-600℃下，煅烧2-4h，得到Yb掺杂纳米TiO2；
(3)向蒸馏水中加入Yb掺杂纳米TiO2和聚乙烯吡洛烷酮，搅拌均匀后加入氟化钠，三者的质量比为100:6-12:8-15，将溶液在聚四氟乙烯反应釜中，在100-130℃反应4-6h，洗涤干燥后，固体产物置于气氛炉中，气氛炉包括炉管，炉管固定连接有进料口，炉管固定连接有出料口，炉管固定连接有控温系统，控温系统与测温元件固定连接，控温系统通过温度补偿线与温度控制器相连，炉管与隔温层固定连接，炉管固定连接有加热元件，炉管固定连接有支撑架，空气氛围中，升温至300-400℃温度煅烧3-5h得到Yb掺杂多孔纳米TiO2；
(4)向蒸馏水溶剂中，加入质量比为35-55:100的Yb掺杂多孔纳米TiO2和活性碳纤维，超声分散均匀后，匀速搅拌12-24h，真空干燥除去溶剂，制备得到改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料。
实施例1
(1)将聚丙烯腈纤维于气氛炉中，在空气氛围中250℃中，预氧化30min，然后在氮气氛围中，升温至700℃下煅烧，得到聚丙烯腈基活性碳纤维，再在浓度为55％的浓硝酸中，处理20h，过滤洗涤并干燥，得到氧化改性的活性碳纤维；
(2)将乙醇溶剂中加入钛酸四丁酯和冰醋酸，进行水解，再加入硝酸镱的水溶液，硝酸镱、钛酸四丁酯的物质的量为1:100，于聚四氟乙烯反应釜内进行水热反应，在120℃的温度下，水热反应10h，再进行离心分离，洗涤烘干，研磨成粉，置于气氛炉中，空气氛围中，升温至400℃下，煅烧2h，得到Yb掺杂纳米TiO2；
(3)向蒸馏水中加入Yb掺杂纳米TiO2和聚乙烯吡洛烷酮，搅拌均匀后加入氟化钠，三者的质量比为100:6:8，将溶液在聚四氟乙烯反应釜中，在100℃反应4h，洗涤干燥后，固体产物置于气氛炉中，气氛炉包括炉管，炉管固定连接有进料口，炉管固定连接有出料口，炉管固定连接有控温系统，控温系统与测温元件固定连接，控温系统通过温度补偿线与温度控制器相连，炉管与隔温层固定连接，炉管固定连接有加热元件，炉管固定连接有支撑架，空气氛围中，升温至300℃温度煅烧3h得到Yb掺杂多孔纳米TiO2；
(4)向蒸馏水溶剂中，加入质量比为35:100的Yb掺杂多孔纳米TiO2和活性碳纤维，超声分散均匀后，匀速搅拌12h，真空干燥除去溶剂，制备得到改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料。
实施例2
(1)将聚丙烯腈纤维于气氛炉中，在空气氛围中270℃中，预氧化40min，然后在氮气氛围中，升温至750℃下煅烧，得到聚丙烯腈基活性碳纤维，再在浓度为65％的浓硝酸中，处理24h，过滤洗涤并干燥，得到氧化改性的活性碳纤维；
(2)将乙醇溶剂中加入钛酸四丁酯和冰醋酸，进行水解，再加入硝酸镱的水溶液，硝酸镱、钛酸四丁酯的物质的量为1.5:100，于聚四氟乙烯反应釜内进行水热反应，在150℃的温度下，水热反应12h，再进行离心分离，洗涤烘干，研磨成粉，置于气氛炉中，空气氛围中，升温至500℃下，煅烧3h，得到Yb掺杂纳米TiO2；
(3)向蒸馏水中加入Yb掺杂纳米TiO2和聚乙烯吡洛烷酮，搅拌均匀后加入氟化钠，三者的质量比为100:8:10，将溶液在聚四氟乙烯反应釜中，在110℃反应5h，洗涤干燥后，固体产物置于气氛炉中，气氛炉包括炉管，炉管固定连接有进料口，炉管固定连接有出料口，炉管固定连接有控温系统，控温系统与测温元件固定连接，控温系统通过温度补偿线与温度控制器相连，炉管与隔温层固定连接，炉管固定连接有加热元件，炉管固定连接有支撑架，空气氛围中，升温至350℃温度煅烧4h得到Yb掺杂多孔纳米TiO2；
(4)向蒸馏水溶剂中，加入质量比为40:100的Yb掺杂多孔纳米TiO2和活性碳纤维，超声分散均匀后，匀速搅拌18h，真空干燥除去溶剂，制备得到改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料。
实施例3
(1)将聚丙烯腈纤维于气氛炉中，在空气氛围中280℃中，预氧化50min，然后在氮气氛围中，升温至770℃下煅烧，得到聚丙烯腈基活性碳纤维，再在浓度为70％的浓硝酸中，处理24h，过滤洗涤并干燥，得到氧化改性的活性碳纤维；
(2)将乙醇溶剂中加入钛酸四丁酯和冰醋酸，进行水解，再加入硝酸镱的水溶液，硝酸镱、钛酸四丁酯的物质的量为1:100，于聚四氟乙烯反应釜内进行水热反应，在150℃的温度下，水热反应12h，再进行离心分离，洗涤烘干，研磨成粉，置于气氛炉中，空气氛围中，升温至550℃下，煅烧3h，得到Yb掺杂纳米TiO2；
(3)向蒸馏水中加入Yb掺杂纳米TiO2和聚乙烯吡洛烷酮，搅拌均匀后加入氟化钠，三者的质量比为100:10:12，将溶液在聚四氟乙烯反应釜中，在120℃反应5h，洗涤干燥后，固体产物置于气氛炉中，气氛炉包括炉管，炉管固定连接有进料口，炉管固定连接有出料口，炉管固定连接有控温系统，控温系统与测温元件固定连接，控温系统通过温度补偿线与温度控制器相连，炉管与隔温层固定连接，炉管固定连接有加热元件，炉管固定连接有支撑架，空气氛围中，升温至330℃温度煅烧4h得到Yb掺杂多孔纳米TiO2；
(4)向蒸馏水溶剂中，加入质量比为45:100的Yb掺杂多孔纳米TiO2和活性碳纤维，超声分散均匀后，匀速搅拌16h，真空干燥除去溶剂，制备得到改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料。
实施例4
(1)将聚丙烯腈纤维于气氛炉中，在空气氛围中300℃中，预氧化60min，然后在氮气氛围中，升温至800℃下煅烧，得到聚丙烯腈基活性碳纤维，再在浓度为75％的浓硝酸中，处理30h，过滤洗涤并干燥，得到氧化改性的活性碳纤维；
(2)将乙醇溶剂中加入钛酸四丁酯和冰醋酸，进行水解，再加入硝酸镱的水溶液，硝酸镱、钛酸四丁酯的物质的量为2:100，于聚四氟乙烯反应釜内进行水热反应，在160℃的温度下，水热反应14h，再进行离心分离，洗涤烘干，研磨成粉，置于气氛炉中，空气氛围中，升温至600℃下，煅烧4h，得到Yb掺杂纳米TiO2；
(3)向蒸馏水中加入Yb掺杂纳米TiO2和聚乙烯吡洛烷酮，搅拌均匀后加入氟化钠，三者的质量比为100:12:15，将溶液在聚四氟乙烯反应釜中，在130℃反应6h，洗涤干燥后，固体产物置于气氛炉中，气氛炉包括炉管，炉管固定连接有进料口，炉管固定连接有出料口，炉管固定连接有控温系统，控温系统与测温元件固定连接，控温系统通过温度补偿线与温度控制器相连，炉管与隔温层固定连接，炉管固定连接有加热元件，炉管固定连接有支撑架，空气氛围中，升温至400℃温度煅烧5h得到Yb掺杂多孔纳米TiO2；
(4)向蒸馏水溶剂中，加入质量比为55:100的Yb掺杂多孔纳米TiO2和活性碳纤维，超声分散均匀后，匀速搅拌24h，真空干燥除去溶剂，制备得到改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料。
对比例1
(1)将聚丙烯腈纤维于气氛炉中，在空气氛围中250℃中，预氧化30min，然后在氮气氛围中，升温至700℃下煅烧，得到聚丙烯腈基活性碳纤维，再在浓度为30％的浓硝酸中，处理20h，过滤洗涤并干燥，得到氧化改性的活性碳纤维；
(2)将乙醇溶剂中加入钛酸四丁酯和冰醋酸，进行水解，再加入硝酸镱的水溶液，硝酸镱、钛酸四丁酯的物质的量为0.5:100，于聚四氟乙烯反应釜内进行水热反应，在120℃的温度下，水热反应10h，再进行离心分离，洗涤烘干，研磨成粉，置于气氛炉中，空气氛围中，升温至400℃下，煅烧2h，得到Yb掺杂纳米TiO2；
(3)向蒸馏水中加入Yb掺杂纳米TiO2和聚乙烯吡洛烷酮，搅拌均匀后加入氟化钠，三者的质量比为100:5:6，将溶液在聚四氟乙烯反应釜中，在100℃反应4h，洗涤干燥后，固体产物置于气氛炉中，气氛炉包括炉管，炉管固定连接有进料口，炉管固定连接有出料口，炉管固定连接有控温系统，控温系统与测温元件固定连接，控温系统通过温度补偿线与温度控制器相连，炉管与隔温层固定连接，炉管固定连接有加热元件，炉管固定连接有支撑架，空气氛围中，升温至300℃温度煅烧3h得到Yb掺杂多孔纳米TiO2；
(4)向蒸馏水溶剂中，加入质量比为25:100的Yb掺杂多孔纳米TiO2和活性碳纤维，超声分散均匀后，匀速搅拌12h，真空干燥除去溶剂，制备得到改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料。
甲醛溶液初始浓度为100mg/L，分别加入实施例与对比例改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料，浓度为500mg/L，在30W紫外灯照射下匀速搅拌6h，使用UV1700PC紫外分光光度计测试吸附-降解后甲醛浓度，测试标准为GB/T 23761-2020。
Claims (6)
1.一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料，其特征在于：所述的一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料制备方法包括以下步骤：
(1)将聚丙烯腈纤维于气氛炉中，在空气氛围中250-300℃中，预氧化30-60min，然后在氮气氛围中，升温至700-800℃下煅烧，得到聚丙烯腈基活性碳纤维，再在浓硝酸中处理，过滤洗涤并干燥，得到氧化改性的活性碳纤维；
(2)将乙醇溶剂中加入钛酸四丁酯和冰醋酸，进行水解，再加入硝酸镱的水溶液，于聚四氟乙烯反应釜内进行水热反应，在120-160℃的温度下，水热反应10-14h，再进行离心分离，洗涤烘干，研磨成粉，置于气氛炉中，空气氛围中，升温至400-600℃下，煅烧2-4h，得到Yb掺杂纳米TiO2；
(3)向蒸馏水中加入Yb掺杂纳米TiO2和聚乙烯吡洛烷酮，搅拌均匀后加入氟化钠，将溶液在聚四氟乙烯反应釜中，在100-130℃反应4-6h，洗涤干燥后，固体产物置于气氛炉中，空气氛围中，升温至300-400℃温度煅烧3-5h得到Yb掺杂多孔纳米TiO2；
(4)向蒸馏水溶剂中加入Yb掺杂多孔纳米TiO2和活性碳纤维，超声分散均匀后，匀速搅拌12-24h，真空干燥除去溶剂，制备得到改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料。
2.根据权利要求1所述的一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料，其特征在于：所述步骤(1)中浓硝酸浓度为55-75％，处理时间为20-30h。
3.根据权利要求1所述的一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料，其特征在于：所述步骤(2)中的硝酸镱、钛酸四丁酯的物质的量为1-2:100。
4.根据权利要求1所述的一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料，其特征在于：所述步骤(3)中Yb掺杂纳米TiO2、氟化钠、聚乙烯吡洛烷酮的质量比为100:6-12:8-15。
5.根据权利要求1所述的一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料，其特征在于：所述步骤(3)中气氛炉包括炉管，炉管固定连接有进料口，炉管固定连接有出料口，炉管固定连接有控温系统，控温系统与测温元件固定连接，控温系统通过温度补偿线与温度控制器相连，炉管与隔温层固定连接，炉管固定连接有加热元件，炉管固定连接有支撑架。
6.根据权利要求1所述的一种改性TiO2负载活性多孔碳纤维的光催化材料，其特征在于：所述步骤(4)中Yb掺杂多孔纳米TiO2和活性碳纤维的质量比为35-55:100。
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