中空全介孔納米纖維在光催化劑中的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及T12中空全介孔納米纖維在光催化劑中的應(yīng)用，屬于光催化劑材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光催化技術(shù)因其反應(yīng)條件溫和，無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，可以吸收太陽能產(chǎn)生光電子和空穴直接分解水制氫和降解有機(jī)污染物，是現(xiàn)今能源和環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。光催化技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵在于光催化劑的研制，幾十年的研究積累已經(jīng)探索發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種光催化劑。其中，T12是最具代表性的光催化劑，在光催化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的T1 2光催化劑材料在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些實(shí)際應(yīng)用中難題有待進(jìn)一步解決，如比表面積偏低導(dǎo)致光催化效率偏低，以及常見的納米粉體光催化劑液相體系反應(yīng)時(shí)極易團(tuán)聚，光催化穩(wěn)定性較差且難以回收再利用造成催化劑的浪費(fèi)。針對(duì)于T12光催化劑存在的問題，最直觀有效的方法是對(duì)其結(jié)構(gòu)形貌的優(yōu)化。全介孔結(jié)構(gòu)的T12納米纖維具備獨(dú)特的高表面積和一維幾何構(gòu)造特性，能夠克服傳統(tǒng)T12光催化劑存在的活性低和穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，在光催化領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。此外，近期研究報(bào)道也表明，一維中空結(jié)構(gòu)的T12納米材料具有低密度以及較大的空腔體積等新穎特性，亦可有效的提高T12光催化劑材料的光催化效率。目前，已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道了關(guān)于T12介孔納米纖維光催化劑和T1 2中空納米纖維光催化劑的制備，但是關(guān)于兼具介孔和中空結(jié)構(gòu)打02納米纖維光催化劑還少有文獻(xiàn)報(bào)道。因此，T12中空全介孔納米纖維光催化劑的制備依然面臨著困難和挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)存在上述問題，提出了一種具有全介孔和中空結(jié)構(gòu)的T12納米纖維在光催化劑中的應(yīng)用。
[0004]本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種T12中空全介孔納米纖維在光催化劑中的應(yīng)用，所述納米纖維主要組成元素為T1、0，主要表現(xiàn)形式為T12，所述納米纖維具有多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔結(jié)構(gòu)的孔包括介孔。
[0005]作為優(yōu)選，所述1102的主要晶型為銳鈦礦型或金紅石型。
[0006]作為優(yōu)選，所述納米纖維具有多孔結(jié)構(gòu)且所述多孔結(jié)構(gòu)的孔均為全介孔。
[0007]作為優(yōu)選，所述納米纖維兼具中空和全介孔結(jié)構(gòu)。
[0008]作為優(yōu)選，所述T12中空全介孔納米纖維的比表面積為25-50m2/g，孔徑值為35_45nm0
[0009]T12中空全介孔納米纖維在光催化劑中的應(yīng)用為將T1 2中空全介孔納米纖維分散于分解物質(zhì)中在光照射下發(fā)生催化反應(yīng)，其中分解物質(zhì)為含水和降解物質(zhì)的物質(zhì)。
[0010]作為優(yōu)選，所述水與降解物質(zhì)的體積比為2-5:1。
[0011 ] 進(jìn)一步優(yōu)選，所述降解物質(zhì)為有機(jī)質(zhì)。
[0012]再進(jìn)一步優(yōu)選，所述有機(jī)質(zhì)為甲醇。
[0013]上述T12中空全介孔納米纖維的制備方法包括如下步驟:
[0014]配制前驅(qū)體紡絲液；
[0015]將前驅(qū)體紡絲液進(jìn)行靜電紡絲得到有機(jī)前驅(qū)體納米纖維；
[0016]將有機(jī)前驅(qū)體納米纖維經(jīng)高溫煅燒，即可得1102中空全介孔納米纖維。
[0017]在上述T12中空全介孔納米纖維的制備方法中，配制前驅(qū)體紡絲液的方法為:將聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和鈦酸丁酯(TBOT)溶解于溶劑中，攪拌均勻，然后加入發(fā)泡劑并繼續(xù)攪拌，最后加入表面活性劑和石蠟油攪拌得前驅(qū)體紡絲液。
[0018]前驅(qū)體紡絲液的濃度主要是通過影響溶液粘度影響纖維的形貌及直徑。若前驅(qū)體紡絲液的濃度過低，在靜電紡絲中，溶液粘度極低，很難維持噴絲細(xì)流的連續(xù)性，不能形成穩(wěn)定的流體，而形成了噴射液滴，因此得到呈不規(guī)則塊狀體納米纖維，沒有纖維出現(xiàn)。若前驅(qū)體紡絲液的濃度過高，纖維有粗有細(xì)，分布不均勻，甚至出現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象，其原因在于，聚合物分子之間相互作用開始影響聚合物鏈的運(yùn)動(dòng)，聚合物分子鏈相互纏結(jié)，若濃度繼續(xù)增加，聚合物相互交穿，形成凍膠。高濃度的流體在針頭迅速干燥以及聚合物形成凍膠引起的流體在針頭流動(dòng)的不穩(wěn)定，難于維持噴絲細(xì)流，同時(shí)造成噴頭粘連，使靜電紡絲無法進(jìn)行。因此，在配制前驅(qū)體紡絲液中，需要控制好各原料之間的質(zhì)量關(guān)系，從而使前驅(qū)體紡絲液達(dá)到合適的濃度，進(jìn)而形成很好纖維形貌，直徑分布均勻的納米纖維。在上述前驅(qū)體紡絲液的配制中TBOT提供Ti源供T12合成，PVP調(diào)控紡絲液的粘度，表面活性劑提高溶液的可紡性，通過發(fā)泡劑對(duì)纖維基體進(jìn)行造孔，PVP和表面活性劑在煅燒處理的過程中都將分解完全并揮發(fā)，因此兩者不會(huì)影響納米纖維最后的結(jié)構(gòu)。前驅(qū)體紡絲液的配制中，石蠟油在溶劑中強(qiáng)烈攪拌后形成微乳液，在紡絲過程中，由于靜電力的作用被連續(xù)相包覆于內(nèi)部，經(jīng)煅燒處理后分解揮發(fā)形成中空結(jié)構(gòu)，因此石蠟油的含量關(guān)系著納米纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。若石蠟油的含量較少，最后制得的T12全介孔納米纖維為實(shí)心結(jié)構(gòu)(非中空結(jié)構(gòu))；若石蠟油的含量較多，最后制得的T12全介孔納米纖維為多級(jí)中空結(jié)構(gòu)。
[0019]因此，作為優(yōu)選，配制前驅(qū)體紡絲液的方法中所述石蠟油與溶劑的體積比為1.5~2.5:1O0
[0020]作為優(yōu)選，配制前驅(qū)體紡絲液的方法中所述的溶劑為無水乙醇和冰醋酸的混合液。
[0021]進(jìn)一步優(yōu)選，所述無水乙醇和冰醋酸的體積比為2-3:1。
[0022]作為優(yōu)選，配制前驅(qū)體紡絲液的方法所述的發(fā)泡劑為偶氮二甲酸二異丙酯(DIPA)。本發(fā)明納米纖維采用發(fā)泡輔助靜電紡絲法制成中空全介孔結(jié)構(gòu)，其中DIPA作為發(fā)泡劑加入可實(shí)現(xiàn)纖維基體造孔的目的。
[0023]作為優(yōu)選，配制前驅(qū)體紡絲液的方法中所述表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨(CTAB) ο
[0024]在上述T12中空全介孔納米纖維的制備方法中，所述靜電紡絲的方法為:將前驅(qū)體紡絲液注入針管內(nèi)，并置于靜電紡絲機(jī)，金屬針頭作電紡絲陽極，錫箔或鐵絲網(wǎng)作接收材料的陰極，在高壓下進(jìn)行靜電紡絲，然后從鐵絲網(wǎng)上收集得到有機(jī)前驅(qū)體納米纖維。
[0025]靜電紡絲是一個(gè)簡(jiǎn)單、靈活的制備纖維技術(shù)，其基本原理為:在高壓電場(chǎng)的作用下，懸于毛細(xì)管出口的前驅(qū)體紡絲液滴變形為泰勒錐。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步提高，當(dāng)液滴表面由于所帶電荷形成的靜電排斥力超過其本身的表面張力時(shí)，在泰勒錐的頂端形成液體細(xì)流，帶有電荷的液體細(xì)流在電場(chǎng)中流動(dòng)，進(jìn)一步受到拉伸作用，同時(shí)溶劑蒸發(fā)(或熔體冷卻)，成為纖維并沉積在接收裝置上，形成有機(jī)前驅(qū)體纖維材料。在靜電紡絲過程中，影響纖維性能的電紡參數(shù)主要有:前驅(qū)體紡絲液的濃度、紡絲電壓、陽極與陰極之間的距離和溶液流速等。
[0026]作為優(yōu)選，靜電紡絲中前驅(qū)體紡絲液注入針管內(nèi)的注射速度為0.8-1.2ml/ho
[0027]作為優(yōu)選，靜電紡絲時(shí)的條件為:陽極與陰極之間的距離為18cm-22cm，高壓為15kV-20kV。隨著陽極與陰極之間接收距離的變化，納米纖維的形態(tài)也發(fā)生了變化，在不考慮其他因素的情況下，接收距離過小會(huì)產(chǎn)生“念珠狀”纖維緊貼在陰極，進(jìn)而影響納米纖維的性質(zhì)。電壓小于15kV時(shí)，大部分前驅(qū)體紡絲液滴落在收集的鐵絲網(wǎng)上，靜電紡絲不能進(jìn)行；當(dāng)電壓高于20kV時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈的電暈放電，靜電紡絲則不能繼續(xù)進(jìn)行。前驅(qū)體紡絲液在15kV-20kV高壓的靜電紡絲中，纖維平均直徑隨著紡絲電壓的增大而增大。
[0028]作為優(yōu)選，靜電紡絲中從錫箔或鐵絲網(wǎng)上收集得到有機(jī)前驅(qū)體納米纖維還需要進(jìn)行干燥處理。進(jìn)一步優(yōu)選，所述干燥的溫度為50-70°C。
[0029]在上述T12中空全介孔納米纖維的制備方法中，所述高溫煅燒的溫度為480-520°C，保溫 l_3h，升溫速度為 1_5°C /min。
[0030]作為優(yōu)選，為了提高T12材料的結(jié)晶度，步驟(2)中的煅燒處理在空氣氣氛下進(jìn)行。
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)中的T12納米纖維相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
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