[发明专利]一种碳纤维负载二氧化钛纳米薄片的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光催化剂领域，尤其涉及一种碳纤维负载二氧化钛纳米薄片的制备方法。

背景技术

光催化技术应用于环境科学和新能源发展是目前的热门课题之一。在众多光催化剂中，二氧化钛(TiO₂)被公认是最有发展潜力的光催化剂，实际应用比较广泛的是商品化的Degussa P25。由于二氧化钛的禁带宽度比较大(锐钛型E_g＝3.2eV)，只能被波长小于380nm的紫外光激发，但是紫外光只占太阳光的4～5％。同时，光催化反应过程中产生的电子和空穴很容易复合，直接导致光催化活性降低。目前制备的二氧化钛催化剂主要是粉末型，比如纳米颗粒，纳米管，纳米空心球。但是，最新研究表明纳米颗粒对生物细胞具有毒性，它可能对环境造成严重危害。因此，粉末型光催化剂不仅难从溶液中回收循环使用，而且纳米粉末容易对环境造成二次污染。因此，制备高效的负载型纳米二氧化钛对于大规模实际应用和商业化具有重要意义。

目前，将纳米二氧化钛固定在各种载体已经有报道，比如，中国专利CN 101187043 A公开了利用阳极氧化法在金属钛或者钛合金上直接生长纳米管结构二氧化钛，中国专利CN 102153289 A报道了利用水热法在FTO导电玻璃上负载纳米二氧化钛薄片。但是，这些载体比较僵硬，不仅制备过程复杂，而且成本比较昂贵，限制了光催化技术的大规模实际应用。碳纤维是一种黑色的柔性导电材料，具有强度高、密度低、热稳定性好、化学惰性强、导电率高等特点，特别适合作为光催化剂载体。因此，它不仅有利于光催化剂的回收循环使用，而且可以提高光吸收效率、光电子与空穴的分离以及提升对有机污染物的吸附性能，从而达到提高光催化活性的目的。中国专利CN 102465442 A，CN 102641731 A，CN 101250811 A和CN 1803291 A公开了碳纤维负载二氧化钛材料的制备方法。但是，这些制备方法不仅过程复杂而冗长，而且没有关注二氧化钛的形貌、晶型及微观结构，这将严重影响了其光催化活性。最近研究发现二氧化钛纳米薄片的[001]面具有特别高的反应活性。

近年来，制备碳纤维负载新型纳米结构的二氧化钛已经有报道。Guo等人报道了利用钛片采用水热合成法制备碳纤维二氧化钛纳米棒(J.Am.Chem.Soc.，2012，134(9)，4437-4441)，他们还报道了利用钛酸丁酯和氢氟酸制备碳纤维负载二氧化钛纳米薄片的方法(Adv.Mater.，2012，24(35)，4761-4764)。但是，将金属钛片作为前驱体制备二氧化钛的成本较高。同时，由于氢氟酸具有强挥发性、腐蚀性和剧毒性，在使用过程中需要极其小心谨慎，将其作为工业原料容易带来生产安全隐患。因此，开发低成本且避免使用挥发性剧毒原料的制备碳纤维负载二氧化钛纳米薄片仍是一个技术难题。

本发明公开一种碳纤维负载二氧化钛纳米薄片的制备方法，使用氟硼酸盐作为形貌控制剂，制备工艺安全性与可操作性强，所制备的材料可以广泛应用于光催化降解有机污染物及染料敏化太阳能电池等领域。

发明内容

本发明针对上述现有技术所存在的不足之处，旨在提供一种制备方法简单，安全性与可操作性好，适合于大规模工业化制备碳纤维负载二氧化钛纳米薄片的方法。

本发明主要是将碳纤维与二氧化钛前驱体溶液直接混合，在酸性条件下以氟硼酸盐为形貌控制剂，通过一步法水热制备碳纤维负载二氧化钛纳米薄片。在密闭的高温高压反应釜中，强酸性条件可以对碳纤维进行活化，在碳纤维的表面生成较多的含氧官能团(比如：-COOH，-OH)，这些活性位有利于二氧化钛纳米薄片的固定。因此，碳纤维的活化和二氧化钛的生长与固定是同步完成的。

具体制备方法如下：

将碳纤维、钛源、氟硼酸盐、盐酸、去离子水加入到带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中混合均匀，其中各组分的摩尔比是1∶(1～5)∶(1～10)∶(10～100)∶(100～1000)。将反应釜放置于150～200℃恒温箱中反应4～24小时。反应结束后，将产物洗涤、干燥后即可制得碳纤维负载二氧化钛纳米薄片。

所述的氟硼酸盐为下述的一种或者几种：氟硼酸钠或氟硼酸钾。

所述的钛源为下述的一种或几种：钛酸丁酯、钛酸异丙醇酯或四氯化钛。

所述的碳纤维、钛源、氟硼酸盐、盐酸、去离子水的摩尔比是1∶(1～5)∶(1～10)∶(10～100)∶(100～1000)。

所述的反应温度是150～200℃，反应时间是4～24小时。

本发明与现有技术相比具有如下优点：