半導(dǎo)體納米粒子?碳化植物纖維復(fù)合材料的制備的制作方法

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>物理化學(xué)裝置的制造及其應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明涉及一種以碳化植物纖維作為載體，將半導(dǎo)體類納米粒子（二氧化鈦、氧化鋅、氧化銅等金屬氧化物，cds、pbs、cus等硫化物，以及其它半導(dǎo)體納米粒子）附著于碳化的植物纖維表面的復(fù)合材料制備方法合成復(fù)合光催化劑以用于光催化降解環(huán)境污染物，屬于光催化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

納米粒子是指顆粒尺度為納米量級(jí)的超微粒子，尺度大于原子簇而小于通常的微粒，一般在1~100nm之間，處于原子簇和宏觀物體交替的過渡區(qū)域。納米粒子經(jīng)壓制、燒結(jié)或?yàn)R射而成的凝聚態(tài)固體被稱為納米材料。當(dāng)粒子尺寸小至納米數(shù)里級(jí)時(shí)，在同一粒子內(nèi)存在各種缺陷(如：孿晶層、層錯(cuò)、位錯(cuò))，還有不同的亞穩(wěn)態(tài)和非晶態(tài)存在。納米粒子表層比重大，表層原子即無(wú)長(zhǎng)秩序又無(wú)短秩序的非晶層，而粒子內(nèi)部存在結(jié)晶良好的周期排布的原子，納米粒子的這種特殊結(jié)構(gòu)使其具有特殊性質(zhì)(如：表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及隧道效應(yīng)等)。因納米粒子具有較小的粒徑、較大的比表面積、較高密度的表面晶格缺陷、較低的熔點(diǎn)等特點(diǎn)而具有較好的催化活性、光電轉(zhuǎn)換特性和光吸收特性等優(yōu)良的性能，從而引起了凝聚態(tài)物理界、化學(xué)界及材料界科學(xué)家們的極大關(guān)注。采用半導(dǎo)體納米粒子多相復(fù)合光催化法治理環(huán)境污染是近年來(lái)日益受重視的新技術(shù)。

納米半導(dǎo)體顆粒在光催化反應(yīng)領(lǐng)域有很大的研究前景和社會(huì)意義，但其某些性質(zhì)限制了它的應(yīng)用范圍，使之得不到大面積推廣使用。首先，半導(dǎo)體納米粒子具有較大的禁帶寬度，所以導(dǎo)致吸收可見光的能力有限，很難做到大面積推廣使用。多數(shù)半導(dǎo)體納米粒子(如二氧化鈦、氧化鋅、氧化銅等金屬氧化物，cds、pbs、cus等硫化物)只能通過波長(zhǎng)小于387nm的紫外線照射來(lái)激活，這占總太陽(yáng)光譜的一小部分（~5%）。其次，電子－空穴對(duì)復(fù)合時(shí)間很短，僅有10^-9s范圍內(nèi)，而電子－空穴對(duì)與污染物反應(yīng)時(shí)間在10^-8~10^-7s范圍內(nèi)，所以很多電子－空穴對(duì)還未來(lái)得及反應(yīng)就已經(jīng)復(fù)合，影響光催化活性。另外，在光催化反應(yīng)后從水溶液中回收粉狀光催化劑難度大，回收成本高，在工業(yè)上并不實(shí)用。為了改善其性能，現(xiàn)在也有部分將納米結(jié)構(gòu)tio2固定在具有減小的帶隙和改善的污染物吸附能力的合適的載體上的實(shí)例，諸如玻璃纖維，光纖，二氧化硅，不銹鋼，植物纖維，聚合物基材和沸石等載體。但是上述的這些碳材料的合成是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的，而且大多制備的是化學(xué)合成的碳化材料，制造過程也很復(fù)雜，成本高，不利于大力推廣至工業(yè)生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

現(xiàn)有的碳材料的合成是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的，制造過程也很復(fù)雜，cnts/tio2復(fù)合材料的大多數(shù)合成方法需要特殊或昂貴的器件或高溫工藝。在這里我們提供了兩種簡(jiǎn)單有效的浸漬煅燒法來(lái)制備半導(dǎo)體納米粒子-植物纖維復(fù)合材料光催化劑。以碳化植物纖維作為載體制備的復(fù)合光催化劑不僅提高了光催化性能，而且制備工藝經(jīng)濟(jì)便捷，原料便宜易得。經(jīng)過我們的工藝碳化后的植物纖維還保留原有的形貌和微結(jié)構(gòu)，這不僅有利于半導(dǎo)體納米粒子的附著而且表面的微結(jié)構(gòu)也有利于光催化性能的提高。這里，我們以二氧化鈦-碳化植物纖維復(fù)合光催化劑為例說明材料的制備。

本發(fā)明是通過以下實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)現(xiàn)的：

方法一：

(一)植物纖維的預(yù)處理

(1)將纖維需剪成2～3cm長(zhǎng)度的纖維，以便后續(xù)洗滌浸漬完全；

(2)稱取一定量植物纖維加入到集熱式恒溫加熱磁力攪拌器組成的油浴裝置里，通過低溫冷卻液循環(huán)泵使用石油醚洗滌纖維30h；

(3)將纖維取出，無(wú)水乙醇洗滌纖維三次，然后將纖維轉(zhuǎn)移至恒溫箱中在60℃條件下烘干；

(4)在500ml燒杯中配制濃度為0.1%mol/l的hcl溶液，加入大小合適的磁轉(zhuǎn)子和從恒溫箱中取出的纖維，用密封膜密封，攪拌；

(5)將纖維取出，用純水洗滌纖維三次，然后將纖維轉(zhuǎn)移至恒溫箱中在60℃條件下烘干；(6)稱取一定量的粒狀naoh，溶解于500ml的燒杯中配制成濃度為5%mol/l的堿溶液,放置到磁力攪拌器上進(jìn)行攪拌24h，并用密封膜密封防止與空氣中的co2反應(yīng)；

(二)tio2-碳化植物纖維光催化劑的制備

(1)將預(yù)處理的纖維剪成長(zhǎng)度為2cm左右的短纖維；

(2)稱取一定量的纖維到燒杯，加入無(wú)水乙醇，分別加入不同量的鈦酸異丙酯，用密封薄膜密封，在磁力攪拌器上攪拌，制備不同質(zhì)量比的復(fù)合光催化劑；

(3)將浸漬均勻的纖維取出，轉(zhuǎn)移至坩堝后在干燥箱內(nèi)80℃條件下烘干；

(4)將干燥好的樣品放磁舟中，放置于管式爐中部進(jìn)行煅燒，管式爐設(shè)定參數(shù)為：從室溫20℃開始，10℃/min加熱至200℃；5℃/min加熱至500℃；恒溫1h后自然冷卻至室溫即可。其中氬氣通氣速率為0.5l/min；

方法二：

(一)植物纖維的預(yù)處理同方法一

(二)tio2-碳化植物纖維光催化劑的制備

(1)將預(yù)處理的纖維剪成長(zhǎng)度為1cm左右的短纖維；

(2)取纖維并添加無(wú)水乙醇和相應(yīng)濃度的鈦酸異丙酯到坩堝內(nèi)，直接在干燥箱內(nèi)80℃條件下烘干；

(3)將干燥好的樣品放磁舟中，放置于管式爐中部進(jìn)行煅燒，管式爐設(shè)定參數(shù)為：從室溫20℃開始，10℃/min加熱至200℃；5℃/min加熱至500℃；恒溫1h后自然冷卻至室溫即可，其中氬氣通氣速率為0.5l/min。

本發(fā)明可以通過調(diào)整鈦酸異丙酯的用量來(lái)控制負(fù)載在碳化植物纖維上的二氧化鈦的量，最終得到一系列不同二氧化鈦負(fù)載量的tio2-碳植物纖維復(fù)合材料。本發(fā)明用兩種不同的浸漬方法都制備出了tio2-碳植物纖維復(fù)合材料。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)碳植物纖維表現(xiàn)出非凡的吸收性能，通過碳化植物纖維吸附染料可以顯著提高光催化部位附近污染物分子的濃度；

(2)我們所制備的復(fù)合材料中，碳化的植物纖維還保留原有的結(jié)構(gòu)和形貌，這不僅有利于二氧化鈦的附著而且其表面原有的微結(jié)構(gòu)也有利于光催化性能的提高；

(3)制備工藝簡(jiǎn)單可控，重復(fù)性好，對(duì)于二氧化鈦的負(fù)載量只需控制鈦酸異丙酯的用量即可，可操作性強(qiáng)；

(4)所制備的樣品有利于回收并且可以重復(fù)使用。

附圖說明

圖1是實(shí)例1所制備的tio2-碳化植物纖維復(fù)合光催化劑的掃描電鏡圖片；

圖2是實(shí)例2所制備的tio2-碳化植物纖維復(fù)合光催化劑的掃描電鏡圖片；

圖3是實(shí)例3所制備的tio2-碳化植物纖維復(fù)合光催化劑的掃描電鏡圖片和能譜圖；

圖4是實(shí)例4所制備的tio2-碳化植物纖維復(fù)合光催化劑的掃描電鏡圖片和透射電鏡圖片；

圖5是實(shí)例5所制備的tio2-碳化植物纖維復(fù)合光催化劑的掃描電鏡圖片；

圖6是實(shí)例6所制備的tio2-碳化植物纖維復(fù)合光催化劑的掃描電鏡圖片；

圖7是實(shí)例7所制備的tio2-碳化植物纖維復(fù)合光催化劑的掃描電鏡圖片；

圖8是實(shí)例8所制備的tio2-碳化植物纖維復(fù)合光催化劑的掃描電鏡圖片和透射電鏡圖片；

圖9是實(shí)例1至實(shí)例4所制備的tio2-碳化植物纖維復(fù)合光催化劑催化污染物的降解效率。

具體實(shí)施方式

下面以具體實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，應(yīng)該明白的是，下述說明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行限定。

實(shí)例1

(一)植物纖維的預(yù)處理

(1)將纖維需剪成2～3cm長(zhǎng)度的纖維，以便后續(xù)洗滌浸漬完全；

(2)稱取一定量植物纖維加入到集熱式恒溫加熱磁力攪拌器組成的油浴裝置里，通過低溫冷卻液循環(huán)泵使用石油醚洗滌纖維30h。集熱式恒溫資歷攪拌器設(shè)置溫度在75℃；

(3)將纖維取出，連接臺(tái)式循環(huán)水真空泵裝置用無(wú)水乙醇洗滌纖維三次，然后將纖維轉(zhuǎn)移至恒溫箱中在60℃條件下烘干；

(4)在500ml燒杯中配制濃度為0.1%mol/l的hcl溶液，加入大小合適的磁轉(zhuǎn)子和從恒溫箱中取出的纖維，用密封膜密封，放置到磁力攪拌器上進(jìn)行攪拌24h；

(5)將纖維取出，連接臺(tái)式循環(huán)水真空泵裝置，用純水洗滌纖維三次，然后將纖維轉(zhuǎn)移至恒溫箱中在60℃條件下烘干；

(6)稱取一定量的粒狀naoh，溶解于500ml的燒杯中配制成濃度為5%mol/l的堿溶液，加入大小合適的磁轉(zhuǎn)子和從恒溫箱中取出的纖維，放置到磁力攪拌器上進(jìn)行攪拌24h，并用密封膜密封防止與空氣中的co2反應(yīng)；

(二)tio2-碳化植物纖維光催化劑的制備

(1)將預(yù)處理的纖維剪成長(zhǎng)度為1cm左右的短纖維，避免出現(xiàn)纖維團(tuán)聚無(wú)法浸漬完全的情況；

(2)稱取500mg纖維到燒杯，加入30ml無(wú)水乙醇后，加入44.4μl的鈦酸異丙酯，并用密封薄膜密封，在磁力攪拌器上攪拌24h；

(3)將浸漬均勻的纖維取出，轉(zhuǎn)移至坩堝后在干燥箱內(nèi)80℃條件下烘干；

(4)將處理的干燥纖維放在磁舟中，放置于管式爐中部進(jìn)行煅燒，管式爐設(shè)定參數(shù)為：從室溫20℃開始，10℃/min加熱至200℃；5℃/min加熱至500℃；恒溫1h后自然冷卻至室溫即可。其中氬氣通氣速率為0.5l/min。

實(shí)例2