[发明专利]二氧化钛基复合纳米纤维光催化材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛基复合纳米纤维光催化材料的制备方法。

背景技术

光催化氧化的研究起源于1972年日本的Fujishima和Honda在《Nature》杂志上发表的一篇论文，它标志着光催化研究开始了一个新的时代。Carey等在紫外光照射下，使用TiO₂成功降解剧毒物质多氯联苯，从而开拓了半导体光催化在环境污染处理中的应用。在众多的半导体光催化材料当中，TiO₂因其光催化活性高、紫外线屏蔽性强、热导性好、分散性好且价廉、无毒、无二次污染等优点而成为一种最受重视的光催化半导体材料。利用静电纺丝技术，首先通过高压静电为驱动力制备有机高分子纳米纤维，然后经高温焙烧的方法制备出纳米级二氧化钛纤维，该纤维具有纳米直径、纳米级微孔、极大的比表面积、等特性而使其在空气净化、污水制理和杀菌消毒等领域表现出良好的应用前景。

然而，在实际应用中TiO₂还存在两个固有缺陷，一是带隙较宽(锐钛矿Eg＝3.2eV)，只能被波长小于λ＜387.5nm的紫外光激发，而紫外光在太阳光谱中仅占5％左右，太阳光利用率低；二是光生电子与空穴非常容易复合，导致其光量子效率差，这就阻碍其工业化应用进程。目前，对TiO₂进行修饰改性，拓宽其对太阳光谱的响应范围，提高太阳光的利用率，有效抑制光生电子与空穴对的简单快速复合，改善其光催化活性达到工业化生产的目的，成为该领域的研究热点和关键技术。

复合半导体(二氧化钛、钛酸盐)又称异质结，利用两种半导体的导带、价带能级不同，在半导体界面形成势垒和能谷，改变光生载流子的迁移过程，降低了光生电子-空穴的复合率，提高系统的电荷分离效果，扩展TiO₂光谱响应范围，从而促进光催化剂电子-空穴分离，提高光催化剂催化效率。

发明内容

由于类似于钛酸盐这种多成分的氧化物纳米晶体颗粒的大小形状与TiO₂纳米纤维不容易吻合，因此本发明的目的在于提供一种二氧化钛基复合纳米纤维光催化材料的制备方法，通过选择合适的材料及最佳的反应条件使两者更好的复合，使钛酸盐晶体原位生长在TiO₂纳米纤维表面，使二者有效的紧密结合，从而制备出理想的二氧化钛基复合纳米光催化材料。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种二氧化钛基复合纳米纤维光催化材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将相应的硝酸盐溶解在乙二醇和水的混合溶液中得到硝酸盐溶液，调节该硝酸盐溶液的pH为10～12，然后将其转移至聚四氟乙烯反应釜中，向其中加入新制备的TiO₂纳米纤维，置于烘箱内调节反应温度为120～180℃，控制加热时间为12～24h；

(2)使反应体系自然冷却至室温，将所得样品分别用无水乙醇和蒸馏水清洗若干次，在烘箱中60℃干燥10～12h，得到TiO₂基复合纳米纤维光催化材料。

在上述方法中，所述硝酸盐为硝酸钙、硝酸钡或硝酸铅。所述乙二醇和水的混合溶液中乙二醇和水的体积比为1∶4～1∶5。所述硝酸盐溶液中硝酸盐的浓度为5～50mmol/L。

在所述步骤(1)中，硝酸盐与TiO₂纳米纤维之间的物质的量之比为1∶1.25；所述TiO₂纳米纤维采用静电纺丝技术制成。

在上述方法中，TiO₂纳米纤维与溶液中的反应物在高温高压这一特殊环境下进行化学反应生成对应的钛酸盐，随着反应的不断进行所生成的钛酸盐浓度增大，当浓度达到饱和时开始结晶析出，由于采用静电纺丝技术制备的TiO₂纳米纤维具有三维开放式结构、极高的孔隙率和很大的表面活性，因此所析出的晶体就以TiO₂纳米纤维为基质原位生长，最终形成具有不同形貌的纳米颗粒构筑在TiO₂纳米纤维表面，制得二氧化钛基复合纳米纤维光催化材料。

在上述方法中，可以通过改变各种反应参数(如反应温度、浓度和时间等)有效控制钛酸盐颗粒的形貌、粒径大小及其在TiO₂纤维表面的覆盖密度。

本发明的优点在于：