ZnO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)明涉及一種ZnO介孔納米纖維在光催化劑中的應(yīng)用，屬于納米纖維技術(shù)領(lǐng)域和光催化技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]利用光催化分解水產(chǎn)生氫氣是一種有望用來緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染的新技術(shù)。在光催化劑中，介孔材料所展示出的比表面積高、吸附率強(qiáng)、孔徑可調(diào)等多種優(yōu)異的特點(diǎn)，推動(dòng)了光催化劑的研究工作。在諸多的介孔結(jié)構(gòu)中，一維納米結(jié)構(gòu)所具有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)能有效地抑制晶粒的團(tuán)聚，展現(xiàn)出高效的光催化特性，被認(rèn)為是高效光催化劑的理想材料。其中，ZnO具有無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、電子傳輸快、直接寬帶隙(3.37eV)等出眾的特性，被認(rèn)為是構(gòu)建高效光催化劑的優(yōu)異材料之一。如Guorui Yang等人通過靜電紡絲法制備出了(ZnO)1/(CdS)1核殼結(jié)構(gòu)的納米纖維，在可見光條件下展現(xiàn)出較高的光催化制氫性能(354 ymolg 。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員還在致力于研究具有更高光催化活性、更強(qiáng)穩(wěn)定性的ZnO光催化劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的技術(shù)存在上述問題，提出了一種具有高效性和穩(wěn)定性的ZnO介孔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):ZnO介孔納米纖維在光催化劑中的應(yīng)用，ZnO介孔納米纖維超聲分散在Na2S和Na2SOf混合溶液中，所述納米纖維主要組成元素為Zn、O和其它不可避免的雜質(zhì)元素，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；其中Zn、O元素在納米纖維中的主要表現(xiàn)形式為ZnO，所述納米纖維在垂直于生長軸法向截面為圓形或者橢圓形或者扁帶狀或者近圓形或者近橢圓形或者近扁帶狀。
[0005]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)的孔均為介孔。
[0006]作為優(yōu)選，所述具有介孔結(jié)構(gòu)的納米纖維的比表面積為45_55m2/g，介孔的孔徑平均為 3-20nm。
[0007]ZnO介孔納米纖維在光催化劑中的應(yīng)用為將ZnO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)。
[0008]作為優(yōu)選，所述降解物質(zhì)為有機(jī)質(zhì)。
[0009]進(jìn)一步優(yōu)選，所述降解物質(zhì)為Na2S和Na2SO?混合溶液。
[0010]再進(jìn)一步優(yōu)選，所述Na2S溶液的濃度為0.30-0.40M，所述Na2SO3溶液的濃度為
0.22-0.28Mo
[0011]上述ZnO介孔納米纖維的制備方法包括如下步驟:
[0012]I)、PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液配置；
[0013]2)、有機(jī)前驅(qū)體納米纖維制備；
[0014]3)、ZnO介孔納米纖維制備；
[0015]其中步驟2)有機(jī)前驅(qū)體納米纖維制備為將PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液經(jīng)靜電紡絲得到有機(jī)前驅(qū)體納米纖維；
[0016]步驟3) ZnO介孔納米纖維制備為將步驟2)得到的有機(jī)前驅(qū)體納米纖維經(jīng)高溫煅燒，即可獲得ZnO介孔納米纖維。
[0017]作為優(yōu)選，ZnO介孔納米纖維制備方法的步驟I)中PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液配置為將適量PvP溶于乙醇中，常溫?cái)嚢璧玫骄煌该魅芤海缓蠹尤攵宜徜\、去離子水以及TS，再水浴加熱得到黃色PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液即可。
[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。
[0019]進(jìn)一步優(yōu)選，步驟I)中PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液配置時(shí)乙醇與水的質(zhì)量比為(3-1):1，其中水為去離子水或者雙蒸水。
[0020]再進(jìn)一步優(yōu)選，ZnO介孔納米纖維制備方法的步驟I)中PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液配置時(shí)每IgPVP溶解于6-9g乙醇中。
[0021 ] 進(jìn)一步優(yōu)選，步驟I)中PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液配置時(shí)紡絲液中每含IgPVP則去離子水或者雙蒸水使用量為3-6g。
[0022]再進(jìn)一步優(yōu)選，所述水浴加熱的溫度為50_80°C，加熱時(shí)間為20-40分鐘。
[0023]作為優(yōu)選，ZnO介孔納米纖維制備方法的步驟2)中PVP/ZnAc/TS前驅(qū)體紡絲液經(jīng)靜電紡絲得到有機(jī)前驅(qū)體納米纖維，其中靜電紡絲的條件為:12kV-13kV的高壓，陽極與陰極之間的距離為17cm-20cm。
[0024]靜電紡絲是一個(gè)簡單、靈活的制備纖維技術(shù)，其基本原理為:在高壓電場的作用下，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。當(dāng)電壓小于12kV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13kV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12kV-13kV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。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)。
[0025]進(jìn)一步優(yōu)選，在靜電紡絲時(shí)，收集得到的有機(jī)前驅(qū)體納米纖維還需要進(jìn)行干燥處理。再進(jìn)一步優(yōu)選，所述干燥溫度為65-75°C。
[0026]作為優(yōu)選，ZnO介孔納米纖維制備方法的步驟3)中高溫煅燒為在煅燒溫度480-520°C下保溫煅燒l_3h，煅燒時(shí)升溫速度為1_5°C /min。
[0027]本發(fā)明高效ZnO介孔納米纖維光催化劑在300W氙燈光照條件下光催化制氫的效率不低于 930 μ molg 1Ii 1O
[0028]現(xiàn)有技術(shù)中的ZnO納米結(jié)構(gòu)光催化劑的制氫效率一般低于400 μ molg 'h \本發(fā)明ZnO介孔納米纖維作為光催化劑用于水解制氫時(shí)，制氫效率不低于930 μ molg 1O
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明一較佳實(shí)施例中制得的ZnO介孔納米纖維的掃錨電鏡(SEM)圖。
[0030]圖2為本發(fā)明一較佳實(shí)施例中制得的ZnO介孔納米纖維的透射電鏡(TEM)圖。
[0031]圖3為本發(fā)明一較佳實(shí)施例中制得的ZnO介孔納米纖維的選區(qū)電子衍射(SAED)圖。
[0032]圖4為本發(fā)明一較佳實(shí)施例中制得的ZnO介孔納米纖維在光催化劑應(yīng)用中的制氫效率圖。
[0033]圖5為本發(fā)明一較佳實(shí)施例中制得的ZnO介孔納米纖維在光催化劑應(yīng)用中的制氫循環(huán)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。
[0035]實(shí)施例1
[0036]將1.0g聚乙烯吡咯烷酮溶解在Sg乙醇中，常溫下攪拌至形成均勻透明的粘稠液體，然后加入2.5g 二水乙酸鋅，4g去離子水和0.6g的茶皂素形成混合液，將混合液在60°C水浴加熱30分鐘形成黃色的前驅(qū)體紡絲液。
[0037]將配制好的前驅(qū)體紡絲液靜置后注入塑料針管內(nèi)，并水平置于紡絲機(jī)上，將金屬針頭(內(nèi)徑為0.41mm)作電紡絲陽極，鐵絲網(wǎng)作接收材料的陰極，陽極與陰極之間的接收距離為18cm，在12.5kV高壓下進(jìn)行靜電紡絲，然后在70°C恒溫烘干箱內(nèi)烘干，獲得固態(tài)有機(jī)前驅(qū)體納米纖維。
[0038]將固態(tài)有機(jī)前驅(qū)體納米纖維置于坩禍中，在空氣氣氛下以3°C /min的升溫速度升溫至500°C煅燒2小時(shí)，然后隨爐冷卻，得到ZnO介孔納米纖維。
[0039]將上述得到的ZnO介孔納米纖維超聲分散在濃度為0.35M的Na2S和濃度為0.25M的Na2SOf混合溶液中，在光照射下發(fā)生催化反應(yīng)。
[0040]實(shí)施例2
[0041]將1.0Sg聚乙烯吡咯烷酮溶解在1g乙醇中，常溫下攪拌至形成均勻