一種SnO₂/TiO₂複合納米纖維光催化劑及製備方法

2023-06-07 22:00:01

專利名稱：一種SnO2/TiO2複合納米纖維光催化劑及製備方法
技術領域：
本發明屬於高分子材料和光催化技術領域，具體涉及一種納米纖維光催化劑及製備方法，特別是一種Sn02/TiA複合納米纖維光催化劑及製備方法。
背景技術：
二氧化鈦(TiO2)是一種η型半導體。由於納米TW2光催化材料具有無毒、化學穩定性高、氧化能力強、長期耐腐蝕性強、可重複利用等優點而被廣泛應用於廢水處理、空氣淨化、殺菌以及醫藥等領域，尤其是其在光降解有機汙染物方面，因此在半導體納米光催化劑的研究中，納米TW2光催化材料受到越來越多的關注。但是納米TiA用作光催化劑依舊面臨兩大核心問題，其一是T^2的禁帶寬度為3. &ν，屬於寬禁帶半導體材料，只能吸收波長小於387nm的中長紫外光而被激發，而到達地球表面紫外光只佔太陽輻射到地球上的光譜總數的5%左右，因此難以有效利用自然界中廣泛且廉價的太陽光。其二是材料的量子產率低，TiO2半導體的光生電子-空穴對的複合機率較高，影響光催化效率，因此大大阻礙了 TiO2在光降解有機汙染物方面的應用。因此，如何使TiO2更有效充分地利用太陽光，提高T^2的光催化效率是當前環境催化領域研究的熱點之一。目前，為了實現這一目標，採用多種不同技術手段對TW2進行改性或摻雜，如在TW2表面沉積貴金屬、過渡金屬粒子摻雜、非金屬粒子摻雜、表面光敏化處理以及半導體複合等，其中半導體複合是一種非常簡單有效的手段。半導體複合其本質是一種半導體對另一種半導體的修飾，複合方式主要是簡單的組合、摻雜和異相組合，主要是利用能帶寬帶不同但又相近的兩種半導體複合，這樣不僅可以使光生載流子在不同能級半導體之間運輸，而且延長了載流子的壽命，很大程度上避免了載流子的複合，增加光生電子和空穴的穩定性，提高了載流子的分離效率，也即提高了量子效率，從而提高體系的光催化活性。二氧化錫(SnO2)也是一種典型的η型半導體，禁帶寬度為3. 5 3. 6eV,與TW2的能級達到很好匹配。將SnA與TiA進行複合，使被激發的TiA表面的光生電子向低費米能級的SnA的導帶轉移，而空穴則會從SnA的價帶遷移到TW2的價帶，直到兩者的費米能級接近為止。該載流子的整個遷移過程增加了光生電子和空穴的壽命，很大程度上避免了兩者的複合，從而提高T^2的光催化性能。目前，使SnA與TW2複合的技術手段有很多種，其中通過靜電紡絲技術將兩者直接複合是一種方法簡單操作方便的手段，已受到越來越多的關注。現已有文獻報導藉助靜電紡絲技術將兩者複合，但其中結合了溶膠-凝膠技術，這樣使得工藝過程較為複雜，工藝參數較難控制。也有報導用靜電紡絲技術製備二氧化鈦納米纖維，然後在利用水熱合成法在得到的二氧化鈦納米纖維表面沉積二氧化錫納米顆粒，這樣方法也是工藝過程複雜，工藝參數較多而難調控。本發明是直接利用靜電紡絲技術製備Sn02/TiA複合納米纖維，相比溶膠-凝膠技術，使得製備工藝過程更加簡單有效，使兩者的複合也更加有效，從而進一步提高TiO2的光催化活性。

發明內容
本發明優化利用靜電紡絲法製備SnO2ZtW2複合納米纖維的工藝過程，簡化了工藝參數，避免了因使用溶膠-凝膠技術而引入的更加複雜的工藝參數的調節和控制，以及避免了溶膠-凝膠法所帶來的該技術本身的一些缺點。只利用靜電紡絲技術製備Sn02/TiA 複合納米纖維不僅工藝簡單，工藝參數少且易控，而且使SnA和TW2兩者的達到更好地複合效果，提高了 TW2的光催化活性。本發明採用的技術方案為，首先利用靜電紡絲技術製備Sn02/Ti02複合納米纖維的前驅體複合納米纖維，然後將前驅體複合納米纖維放置在馬弗爐中在空氣中煅燒，即得到Sn02/TiA複合納米纖維。具體步驟如下(1)稱取一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解於無水乙醇中配製質量分數為 10% 20%的N，N-二甲基甲醯胺(DMF)溶液，稱取一定量的SnCl4 · 5H20加入到其中，然後按SnCl4 · 5H20和鈦酸四正丁酯(TBT)摩爾比1 1，1 3,1 5,1 7,3 1的比例加入TBT到上述溶液中，在室溫下用磁力攪拌器攪拌6 他至完全溶解得到透明溶液。(2)將上述溶液裝入帶有磨平不鏽鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上，設置好靜電紡絲參數紡出均勻的納米纖維膜，紡絲條件紡絲電壓10 20kV，接收裝置與噴絲頭之間的距離為15 25cm，紡絲液流速為0. 5 2. OmL/h。(3)將製備出得復納米纖維膜放在馬弗爐中，在空氣氛中煅燒，從室溫升溫到 600 800°C，升溫速率1 5°C /min，煅燒時間為2 證，在空氣氛中自然冷卻到室溫，即得到Sn02/TiA複合納米纖維。本發明由於沒有採用溶膠-溶膠法和靜電紡絲法相結合的工藝，從而優化了製備 Sn02/Ti02複合納米纖維的工藝過程以及簡化了工藝參數，使得製備出Sn02/TiA複合納米纖維獲得更好地複合效果，從而提高T^2的光催化活性。由於採用了上述技術方案，本發明具有以下優點1.本發明優化了製備工藝，並簡化了工藝參數。2.本發明所製備出的複合納米纖維使得兩種材料的複合效果提高，從而提高了 TiO2的光催化活性。3.本發明所製備的材料用作光催化材料，提高了載流子的分離效率，進而提高 TiO2的光催化活性，滿足新一代二氧化鈦光催化材料的發展要求。


圖lSn02/Ti02複合納米纖維的掃描電子顯微鏡圖片。圖2Sn02/Ti02複合納米纖維的光催化降解效果圖。
具體實施例方式實施例1分別稱取1. 5g PVP溶解在8. 5g DMF中，再稱取1. 745g SnCl4. 5H20加入其中，然後按SnCl4. 5H20和鈦酸四正丁酯(TBT)摩爾比1 1,1 3,1 5,1 7,3 1的比例加入TBT到上述溶液中，在室溫下用磁力攪拌器攪拌6 他至完全溶解得到透明溶液。所配製的上述紡絲液裝入帶有磨平不鏽鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上，在紡絲電壓10kv，接收裝置與噴絲頭之間的距離為15cm，紡絲液流速為0. 5mL/h的工藝條件下，紡絲10h，得到納米纖維膜。將得到的納米纖維膜放入馬弗爐中，從室溫以1°C /min 升溫速率升溫到600°C，煅燒證，然後自然冷卻到室溫。實施例2分別稱取1. 5g PVP溶解在8. 5g DMF中，再稱取1. 745g SnCl4. 5H20加入其中，然後按SnCl4. 5H20和鈦酸四正丁酯(TBT)摩爾比1 1,1 3,1 5,1 7,3 1的比例加入TBT到上述溶液中，在室溫下用磁力攪拌器攪拌6 他至完全溶解得到透明溶液。所配製的上述紡絲液裝入帶有磨平不鏽鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上， 在紡絲電壓15kV，接收裝置與噴絲頭之間的距離為20cm，紡絲液流速為1. OmL/h的工藝條件下，紡絲10h，得到納米纖維膜。將得到的納米纖維膜放入馬弗爐中，從室溫以2°C /min 升溫速率升溫到600°C，煅燒池，然後自然冷卻到室溫。實施例3分別稱取1. 5g PVP溶解在8. 5g DMF中，再稱取1. 745g SnCl4. 5H20加入其中，然後按SnCl4. 5H20和鈦酸四正丁酯(TBT)摩爾比1 1,1 3,1 5,1 7,3 1的比例加入TBT到上述溶液中，在室溫下用磁力攪拌器攪拌6 他至完全溶解得到透明溶液。所配製的上述紡絲液裝入帶有磨平不鏽鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上， 在紡絲電壓20kV，接收裝置與噴絲頭之間的距離為25cm，紡絲液流速為1. 5mL/h的工藝條件下，紡絲10h，得到納米纖維膜。將得到的納米纖維膜放入馬弗爐中，從室溫以5°C /min 升溫速率升溫到700°C，煅燒池，然後自然冷卻到室溫。實施例4分別稱取1. 5g PVP溶解在8. 5g DMF中，再稱取1. 745g SnCl4. 5H20加入其中，然後按SnCl4. 5H20和鈦酸四正丁酯(TBT)摩爾比1 1,1 3,1 5,1 7,3 1的比例加入TBT到上述溶液中，在室溫下用磁力攪拌器攪拌6 他至完全溶解得到透明溶液。所配製的上述紡絲液裝入帶有磨平不鏽鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上， 在紡絲電壓15kV，接收裝置與噴絲頭之間的距離為20cm，紡絲液流速為2. 0mL/h的工藝條件下，紡絲10h，得到納米纖維膜。將得到的納米纖維膜放入馬弗爐中，從室溫以5°C /min 升溫速率升溫到700°C，煅燒池，然後自然冷卻到室溫。實施例5分別稱取1. 5g PVP溶解在8. 5g DMF中，再稱取1. 745g SnCl4. 5H20加入其中，然後按SnCl4. 5H20和鈦酸四正丁酯(TBT)摩爾比1 1,1 3,1 5,1 7,3 1的比例加入TBT到上述溶液中，在室溫下用磁力攪拌器攪拌6 他至完全溶解得到透明溶液。所配製的上述紡絲液裝入帶有磨平不鏽鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上， 在紡絲電壓15kV，接收裝置與噴絲頭之間的距離為25cm，紡絲液流速為1. 0mL/h的工藝條件下，紡絲10h，得到納米纖維膜。將得到的納米纖維膜放入馬弗爐中，從室溫以3°C /min 升溫速率升溫到800°C，煅燒池，然後自然冷卻到室溫。實施例6分別稱取1. 5g PVP溶解在8. 5g DMF中，再稱取1. 745g SnCl4. 5H20加入其中，然後按SnCl4. 5H20和鈦酸四正丁酯(TBT)摩爾比1 1,1 3,1 5,1 7,3 1的比例加入TBT到上述溶液中，在室溫下用磁力攪拌器攪拌6 他至完全溶解得到透明溶液。所配製的上述紡絲液裝入帶有磨平不鏽鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上， 在紡絲電壓15kV，接收裝置與噴絲頭之間的距離為20cm，紡絲液流速為1. OmL/h的工藝條件下，紡絲10h，得到納米纖維膜。將得到的納米纖維膜放入馬弗爐中，從室溫以5°C /min 升溫速率升溫到800°C，煅燒池，然後自然冷卻到室溫。
權利要求
1.一種Sn02/TiA複合納米纖維光催化劑及製備方法，其特徵在於，靜電紡絲法和高溫煅燒，包括以下步驟1)稱取一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解於無水乙醇中配製質量分數為10% 20%的N，N-二甲基甲醯胺(DMF)溶液，稱取一定量的SnCl4. 5H20加入到其中，然後按 SnCl4 · 5H20和鈦酸四正丁酯(TBT)摩爾比1 1,1 3,1 5,1 7,3 1的比例加入 TBT到上述溶液中，在室溫下用磁力攪拌器攪拌6 他至完全溶解得到透明溶液。2)將步驟1)配製的溶液裝入帶有磨平不鏽鋼針頭的注射器中，將注射器安裝在靜電紡絲裝置上，設置好靜電紡絲參數紡出均勻的納米纖維膜，紡絲條件紡絲電壓10 20kV， 接收裝置與噴絲頭之間的距離為15 25cm，紡絲液流速為0. 5 2. OmL/h。3)將步驟2)製備出得復納米纖維膜放在馬弗爐中，在空氣氛中煅燒，從室溫升溫到 600 800°C，升溫速率1 5°C /min，煅燒時間為2 證，在空氣氛中自然冷卻到室溫，即得到Sn02/TiA複合納米纖維。
2.根據權利要求1所述的一種Sn02/TiA複合納米纖維光催化劑及製備方法，其特徵在於靜電紡絲電壓、收集距離、紡絲流速和煅燒溫度。
全文摘要
一種SnO2/TiO2複合納米纖維光催化劑及製備方法，屬於高分子材料和光催化技術領域。本發明所製備的SnO2/TiO2複合納米纖維作為光催化材料，解決了二氧化鈦光生載流子分離效率低的問題，增加了光生電子-空穴對的穩定性，從而提高二氧化鈦的光催化活性。本發明所用方法直接利用靜電紡絲技術和在空氣中煅燒得到複合納米纖維，而沒有引入影響因素較多的溶膠-凝膠技術。本發明優化了製備複合納米纖維的工藝過程，簡化了工藝參數的調節。本發明所製備的材料用作光催化材料，其光催化活性遠比純的二氧化鈦的光催化活性高，滿足新一代二氧化鈦光催化材料的要求和發展方向。
文檔編號B01J35/06GK102489289SQ201110419478
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者喬輝, 付家鵬, 李靜, 羅喬慧, 蔡以兵, 魏取福, 黃鋒林 申請人:江南大學