石墨烯/TiO₂纖維的製備方法

2023-05-03 00:46:31

專利名稱：石墨烯/TiO2纖維的製備方法
技術領域：
本發明屬於功能纖維材料領域，具體涉及一種可作為光催化劑的石墨烯/TiO2纖維複合材料的製備方法。
背景技術：
TiO2是一種較為有效且常用的光催化劑，但其存在著以下不足:對有機分子的吸附性差，禁帶寬度和載流子的複合機率大，這都嚴重限制了光催化反應的進行。石墨烯是非常好的半導體薄膜材料，其優越的電子捕獲和傳輸能力，較好的光電轉化性能，比表面積較大以及對有機分子吸附親和力較強等特性可以很好的克服TiO2的不足。現有摻雜方法主要是TiO2和石墨烯的簡單混合，且大部分為TiO2粉末與石墨烯或者TiO2納米管與石墨烯的混合。然而，石墨烯/TiO2粉末，應用時與液體形成顆粒懸浮體系，反應後期細粉分離回收十分困難，催化劑流失嚴重，因而限制了其實際應用。同時也使催化劑的表面積和體積比大大降低，嚴重影響了其催化活性。且石墨烯在TiO2納米管表面附著使得二者接觸面積大大減小，光氧化性能低，不適於光催化反應。石墨烯/TiO2纖維正是適合這種需求的一種石墨烯與TiO2結合的應用形式，目前尚未見有報導。

發明內容
本發明為了克服現有技術的不足，提供一種工藝簡單、易於實施生產石墨烯/TiO2纖維的方法。一種石墨烯/TiO2纖維的製備方法:(I)將0.15g 0.20g石墨烯超聲分散到四氫呋喃中，乙醯乙酸乙酯作為螯合劑，鈦酸四丁酯為鈦源，三者搖勻充分混合，82°C加熱回流Ih製得A液；(2)四氫呋喃和少量去離子水，在滴液漏鬥中搖勻製得B液；(3)將B液逐滴加入磁力攪拌的A液中進行反應，從而得到C液，C液在70°C加熱回流Ih,製得紡絲液；(4)將C液旋轉蒸發濃縮至粘度為5Pa.s 75Pa.S，獲得透明、均勻、穩定的紡絲液；(5)將上述紡絲液注入甩絲機進行甩絲，經收集裝置收絲，獲得前驅體纖維；(6)將前驅體纖維置於程序升溫爐中，N2氛圍中進行25°C 450°C的程序升溫，升溫結束後自然降溫，獲得石墨烯/TiO2纖維。本發明與現有技術相比具有以下優勢:石墨烯/TiO2纖維增大了石墨烯和TiO2的接觸面積，具有優異的光催化性能；本發明製備的石墨烯/TiO2纖維反應過程在N2氛圍中進行，減少了其他雜質的引入，製得的複合材料純度較高；石墨烯/TiO2纖維易於回收，石墨烯不易脫落，減少了催化劑的流失；本發明採用常見的化工原料和簡單的合成工藝，過程簡單，易於實施，反應中所需的溶劑四氫呋喃可重複利用，符合「綠色化學」的要求。本發明適用於飲用水處理及汙水的後期深度處理。
四、具體實施例實施例1:(I)將0.15g石墨烯加入到26.2mL的四氫呋喃中，超聲分散30min,再加入1.1lmL乙醯乙酸乙酯作為螯合劑，量取19.SmL鈦酸四丁酯加入，並搖勻充分混合。在N2氣氛下加熱到82°C，並持續lh，得到A液。將200.6mL的四氫呋喃加入滴液漏鬥中，然後加入1.57mL的去離子水，搖勻製得B液。A液冷卻後，在磁力攪拌的作用下，將B液逐滴加入A液中進行反應，從而得到C液。(2)製備紡絲液。N2氣氛中，C液在70°C下加熱回流lh，得到泥漿狀的溶液。將C液轉移至旋轉蒸發儀，調節水浴溫度44°C，通過蒸發溶劑的方法濃縮溶液，使其粘度達到5Pa.s，即可獲得透明、均勻、穩定的紡絲液。(3)紡絲。將上述紡絲液注入甩絲機，在在溫度為25°C，相對溼度為40%，離心機轉速為lOOOOr/min的條件下，將紡絲液從孔徑為0.2mm的紡絲孔高速甩出，經收集裝置收絲，得前驅體纖維。(4)熱處理。將前驅體纖維置於程序升溫爐中，採用連續通隊裝置進行25°C 450°C的熱處理，在不同的溫度段選擇不同的升溫速率，25°C 95°C升溫速率100°C /h,42min ;95°C 250°C升溫速率 200°C /h，47min ;250°C 350°C升溫速率 50°C /h, 120min ；350°C 450°C升溫速率300°C /h, IOmin ;並在450°C保溫2h，自然降溫，即可獲得拉伸強度90MPa 1.0GPa,直徑9 μ m 20 μ m,單絲連續長度5cm 30cm, BET比表面積IOOm2/g 200m2/g,氣孔直徑5nm IOnm,晶粒粒徑IOnm 30nm,晶相為銳鈦礦相的石墨烯/TiO2短纖維。實施例2:如實施例1所述，所不同的是將步驟(2)中紡絲液的粘度達到75Pa.s,步驟(3)中紡絲方法改為幹法紡絲。將紡絲液移入幹法紡絲裝置中的液料罐,真空脫泡15min，在溫度為25°C相對溼度40%的條件下，對紡絲液施加2.0MPa的壓力，使其從孔徑為0.15mm的鈮鉭合金紡絲板噴出，經牽伸和轉鼓收絲，相同的程序升溫後，最終獲得拉伸強度90MPa
1.0GPa,直徑9 μ m 20 μ m, BET比表面積IOOm2/g 200m2/g,氣孔直徑5nm IOnm,晶粒粒徑IOnm 30nm, TiO2晶相為銳鈦礦相的石墨烯/TiO2連續纖維。實施例3:如實施例2所述，所不同的是將步驟(I)中的石墨烯改為0.20g，步驟(4)中25°C 450°C的升溫程序作如下變動:25°C 95°C升溫速率100°C /h，42min，並在95°C保溫24h ;350°C 450°C升溫速率300°C /h, IOmin,並在450°C保溫Ih ;其他溫度段的升溫過程同實施例1。自然降溫，獲得拉伸強度90MPa 1.06 8，直徑94 111 2(^111，單絲連續長度5cm 50cm, BET比表面積350m2/g,氣孔直徑5nm IOnm,晶粒粒徑IOnm 30nm,其中TiO2晶相為銳鈦礦相的石墨烯/TiO2多孔連續纖維。
權利要求
1.一種石墨烯/TiO2纖維的製備方法，其特徵在於: (1)將0.15g 0.20g石墨烯超聲分散到四氫呋喃中，乙醯乙酸乙酯作為螯合劑，鈦酸四丁酯為鈦源，三者搖勻充分混合，82°C加熱回流Ih製得A液； (2)四氫呋喃和少量去離子水，在滴液漏鬥中搖勻製得B液； (3)將B液逐滴加入磁力攪拌的A液中進行反應，從而得到C液，C液在70°C加熱回流lh，製得紡絲液；(4)將C液旋轉蒸發濃縮至粘度為5Pa.s 75Pa.s,獲得透明、均勻、穩定的紡絲液； (5)將上述紡絲液注入甩絲機進行甩絲，經收集裝置收絲，獲得前驅體纖維； (6)將前驅體纖維置於程序升溫爐中，N2氛圍中進行25°C 450°C的程序升溫，升溫結束後自然降溫，獲得石墨烯/TiO2纖維。
全文摘要
本發明提出的石墨烯/TiO2纖維複合材料的製備方法，將不同量的石墨烯超聲分散到四氫呋喃中，用乙醯乙酸乙酯作為螯合劑，鈦酸四丁酯為鈦源，混合後形成均質石墨烯分散液，再通過磁力攪拌，加入適量的四氫呋喃和少量去離子水進行反應，加熱回流，製得紡絲液。將上述紡絲液注入甩絲機進行甩絲，獲得前驅體纖維，將前驅體纖維置於程序升溫爐中，N2氛圍中進行25℃～450℃的程序升溫後，自然降溫，可獲得石墨烯/TiO2纖維。本發明具有優異的光催化性能，可適用於飲用水處理及汙水後期深度處理。
文檔編號B01J35/06GK103111274SQ20131006481
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月28日 優先權日2013年2月28日
發明者包南, 張清哲, 張成祿, 吳國林, 何隨, 關瑾 申請人:山東大學