CN114453023B - 一种发光光纤复合催化材料及其等离子体制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发光光纤复合催化材料及其等离子体制备方法。具体公开了所述复合材料包含光纤以及附着于光纤外表面的碳量子点。附着于光纤外表面的碳量子点通过以下方式获得：将光纤浸入胺类有机溶剂中，随后置于甲基丙烯酸酯或含有甲基丙烯酸酯的有机溶剂中，在等离子体的作用下，光纤表面形成碳量子点和聚甲基丙烯酸酯聚合物层。本发明中通过量子点的加入提升了发光光纤的发光效果；而量子点的催化效果可以为发光光纤增加功能性；更重要的是，发光效果的协同增强可以提升催化效果，特别是光电催化效果。本发明的制备方法简单，在保证发光光纤原始的性能不受影响，实现了通过光纤内的光源激发光纤外层均匀附着的碳量子点的效果。
Description
技术领域
本发明属于光纤复合材料领域，具体提供了一种发光光纤复合催化材料及其等离子体制备方法。
背景技术
以光纤材料制备催化反应系统是一种新型的反应器，也是光纤材料的一种特殊应用。中国专利201710629426.7公开了一种光催化空心石英光纤以及制备方法，一种光催化空心石英光纤，包括光纤纤芯和包裹光纤纤芯的光纤包层，在光纤包层的外表面设置有光纤涂覆层，该光纤涂覆层设置为斜坡状，且光纤的光输入端的外径小于光纤尾端的外径；光纤涂覆层为Er3+:YAlO3/SiO2/TiO2复合光催化薄膜。量子点作为一种催化材料，展示出优异的性能。而将量子点与发光光纤相结合，尚未见报道。
现有技术中报道过多种产生量子点的方法，其中中国专利CN201210405867.6、CN201210013473.6、CN201510423597.5、CN202010374407.6和CN202110750654.6中均公开了采用等离子体的方式获得量子点的方法，但是现有技术中公开的方法仅限于制备在溶液中的量子点，而如何在纤细的光纤表面均匀附着尺度均一的量子点是现有技术并未报道的。
现有技术中还存在采用水热的方法制备碳量子点的方法，例如中国专利CN202110893481.3和CN 201710166030.3，其均采用水热的方法将甲基丙烯酸甲酯和三乙烯四胺或长链胺分散在有机溶剂中，再进行溶剂热反应，即得油溶性碳量子点，还公开了相应的用途。虽然水热的方式使用的制备仪器相对简单，但是由于加热的温度较高，虽然可以制备溶液中的量子点，但是如果制备附着在一定载体上的量子点，其在制备载体的选择上存在一定局限性。
发明内容
现有技术没有解决发光光纤和量子点复合的技术问题。针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种利用等离子体技术来制备发光光纤复合材料的技术方案。
本发明的目的在于提出一种发光光纤/量子点复合催化材料及其等离子体制备方法，是利用等离子体技术实现发光光纤复合催化材料的制备。
本发明一个方面提供了一种光纤和量子点的复合材料，所述复合材料包含光纤以及附着于光纤外表面的碳量子点。
进一步地，所述光纤为发光光纤。
进一步地，所述发光光纤选自皮层为聚甲基丙烯酸甲酯、氟化聚合物等的聚合物光纤。
进一步地，所述附着于光纤外表面的碳量子点通过以下方式获得：将光纤浸入胺类有机溶剂中，随后置于甲基丙烯酸酯(MMA)或含有甲基丙烯酸酯(MMA)的有机溶剂中，在等离子体的作用下，光纤表面形成碳量子点和聚甲基丙烯酸酯聚合物层。
进一步地，胺类有机溶剂选自苯胺、间苯二胺、对苯二胺、邻苯二胺、1,2,4-三氨基苯、1,3,5-三氨基苯、二苯胺及其衍生物。
进一步地，所述胺类有机溶剂与甲基丙烯酸酯的体积比为1:0.5～1:20，例如1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:10、1:15、1:20。
进一步地，所述等离子体选自在溶液内部产生的等离子体、在溶液上部产生的等离子体；
进一步地，所述等离子体选自气液等离子体、液相等离子体、等离子体射流等；
进一步地，所述等离子体采用的气体选自氩气、氮气、空气、氦气；
进一步地，为了减少甲基丙烯酸酯的用量，也可以采用甲基丙烯酸酯和有机溶剂的混合溶液，所述有机溶剂选自乙醇、乙二醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃、正己烷、丙酮。
进一步地，甲基丙烯酸酯与有机溶剂的体积比例为1:0.01～1:1。
本发明另一个方面提供了上述复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1)将光纤浸入胺类有机溶剂中，随后置于甲基丙烯酸酯(MMA)中或包含甲基丙烯酸酯的有机溶剂中；
S2)在等离子体作用下对含有光纤的溶液进行处理，清洗干燥后即获得光纤复合催化材料。
进一步地，胺类有机溶剂选自苯胺、间苯二胺、对苯二胺、邻苯二胺、1,2,4-三氨基苯、1,3,5-三氨基苯、二苯胺及其衍生物。
进一步地，所述胺类有机溶剂与甲基丙烯酸酯的体积比为1：1～1：20；
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进一步地，为了减少甲基丙烯酸酯的用量，也可以采用甲基丙烯酸酯和有机溶剂的混合溶液，所述有机溶剂选自乙醇、乙二醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃、正己烷、丙酮。
进一步地，甲基丙烯酸酯与有机溶剂的体积比例为1：0.01～1：1，例如1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:10、1:15、1:20。
进一步地，步骤2)中等离子体作用的时间为3-60分钟，优选为5-30分钟，例如5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、25分钟、30分钟。
进一步地，步骤2)中等离子体射流距离溶液高度为3-20mm，优选为5-10mm。
本发明再一方面提供了本发明的光纤复合材料在制备光电催化材料中的用途。
有益效果
与现有技术相比，本发明提出将量子点与发光光纤复合，制备出具有发光效应和催化效应的光纤复合材料。一方面，量子点的加入可以提升发光光纤的发光效果；另一方面，量子点的催化效果可以为发光光纤增加功能性；更重要的是，发光效果的协同增强可以提升催化效果，特别是光电催化效果。
在制备方法方面，首先，本发明的制备方法无需高温条件，适合聚合物光纤的加工制备。其次，上述复合材料能够实现协同作用的关键在于碳量子点在塑料光纤表面的稳定附着、均匀附着。同时附着层不能影响光纤发光效率，以及光纤内的光源对于光纤外表面碳量子点的激发效果。而本发明通过利用等离子体技术和胺类有机物的设计，可以在光纤表面层形成量子点和聚甲基丙烯酸酯聚合物层的，保证发光光纤原始的性能不受影响，实现了通过光纤内的光源激发光纤外层均匀附着的碳量子点的效果。
附图说明
图1为以间苯二胺为原料所制备的量子点的荧光照片；
图2为发光光纤/量子点复合催化材料的扫描电子显微镜照片；
图3为不同激发波长下量子点的发射波长图。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
将直径为0.75mm的聚合物光纤浸入30mL间苯二胺溶剂中，随后置于30mL甲基丙烯酸酯(MMA)中；以氦气为放电气体构建等离子体射流，利用等离子体射流处理含有光纤的甲基丙烯酸酯，射流距离溶液8mm，处理时间10min。图1所示是射流处理后，溶液中的碳量子点的荧光照片。处理后，将光纤进行水洗并室温干燥，即获得光纤/碳量子点复合催化材料。
实施例2
将直径为1.5mm的聚合物光纤浸入50mL间苯二胺溶剂中，随后置于50mL甲基丙烯酸酯(MMA)中；以空气为放电气体构建气液等离子体，即以溶液和置于溶液之上的金属分别作为等离子体放电的两个电极，利用等离子体处理含有光纤的甲基丙烯酸酯，等离子体距离溶液5mm，处理时间15min。处理后，将光纤进行水洗并在50℃下干燥，即获得光纤/碳量子点复合催化材料。图2所示是所制备的光纤/量子点复合催化材料的扫描电子显微镜照片，可以看到，量子点纳米材料均匀的分布在纤维表面，且量子点的尺寸5-15nm，粒度均一，整体相近。经过水洗的光纤表面并未观察到表面附着的碳量子点的脱落，说明本方法制备获得的复合材料结合力强，结构稳定。
实施例3
将直径为2.0mm的聚合物光纤浸入80mL对苯二胺溶剂中，随后置于80mL甲基丙烯酸酯(MMA)中；以氩气为放电气体构建液相等离子体，即将两个金属电极置于溶液中并通入气体形成等离子体放电，利用形成的等离子体处理含有光纤的甲基丙烯酸酯，处理时间20min。处理后，将光纤进行水洗并在60℃下干燥，即获得光纤/碳量子点复合催化材料。
采用不同波长的激发光激发本发明获得的光纤/碳量子点复合催化材料，实验结果见图3。图3所示是不同激发波长下量子点的发射波长图，可以看到，在不同激发条件下，量子点的发射波长峰位稳定，表明量子点尺寸均匀，性能稳定。
实施例4
将直径为3.0mm的聚合物光纤浸入60mL间苯二胺溶剂中，随后置于60mL含有甲基丙烯酸酯(MMA)的乙醇溶液中，甲基丙烯酸酯与乙醇的体积比例为1:0.5；以氮气为放电气体构建等离子体射流，利用等离子体射流处理含有光纤的甲基丙烯酸酯，射流距离溶液8mm，处理时间12min。处理后，将光纤进行水洗并在80℃下干燥，即获得光纤/碳量子点复合催化材料。
Claims (14)
1.一种光纤复合催化材料，其特征在于，所述复合材料包含光纤以及附着于光纤外表面的碳量子点；
所述光纤为发光光纤；所述发光光纤选自皮层为聚甲基丙烯酸甲酯、氟化聚合物的聚合物光纤；所述附着于光纤外表面的碳量子点通过以下方式获得：将光纤浸入胺类有机溶剂中，随后置于甲基丙烯酸酯或含有甲基丙烯酸酯的有机溶剂中，在等离子体的作用下，光纤表面形成碳量子点和聚甲基丙烯酸酯聚合物层；胺类有机溶剂选自苯胺、间苯二胺、对苯二胺、邻苯二胺、1,2,4-三氨基苯、1,3,5-三氨基苯、二苯胺。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述胺类有机溶剂与甲基丙烯酸酯的体积比为1:0.5～1:20。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述等离子体选自在溶液内部产生的等离子体、在溶液上产生的等离子体。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述等离子体选自气液等离子体、液相等离子体。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述等离子体选自等离子体射流。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述等离子体采用的气体选自氩气、氮气、空气、氦气。
7.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述含有甲基丙烯酸酯的有机溶剂选自乙醇、乙二醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃、正己烷、丙酮。
8.根据权利要求7所述的复合材料，其特征在于，甲基丙烯酸酯与有机溶剂的体积比例为1:0.01～1:1。
9.权利要求1-8任一项所述的复合材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1)将光纤浸入胺类有机溶剂中，随后置于甲基丙烯酸酯中或包含甲基丙烯酸酯的有机溶剂中；
S2)在等离子体放电作用下对含有光纤的溶液进行处理，清洗干燥后即获得光纤复合催化材料。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤S2)中等离子体作用的时间为3-60分钟。
11.如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，步骤S2)中等离子体作用的时间为5-30分钟。
12.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤S2)中等离子体射流距离溶液高度为3-20mm。
13.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，步骤S2)中等离子体射流距离溶液高度为5-10mm。
14.权利要求1-8任一项所述的光纤复合材料在制备光电催化材料中的用途。
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