[发明专利]多孔碳纳米纤维负载钐掺杂纳米二氧化钛材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及光催化剂领域，具体地，涉及多孔碳纳米纤维负载钐掺杂纳米二氧化钛材料及其制备方法和应用。

背景技术

二氧化钛光催化剂具有无毒、稳定、价廉、以及能在常温下光催化降解多种有机物等特点，因此可用于工业污水处理，其还能利用二氧化钛光催化所产生的强氧化基团(·OH)杀害有害的细菌和病毒，是一种具有广阔的应用前景的光催化剂。但是，TiO₂在实际应用过程中还受到诸多因素的限制，主要有：(1)锐钛矿型TiO₂的禁带宽度为3.2eV，只能在波长小于387.5nm的紫外光的激发下才能显示出不俗的光催化活性，而紫外光仅占太阳能射线的5%左右，大大限制了TiO₂对太阳光或人工光源中可见光的利用率；(2)纳米TiO₂粉体在处理液相污染物的过程中，存在吸附能力弱、易团聚失活、易流失而难回收、易沉淀而难以得到光照等不足，因此对污染物的光催化降解效果甚弱，尤其当污染物的浓度较低时，TiO₂的光催化活性就更微不足道。

因而，关于提高TiO₂的光催化活性的研究仍有待深入。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种能够有效拓宽TiO₂光谱响应范围和提高TiO₂在太阳光或可见光下的光催化量子效率的手段。

在本发明的一个方面，发明提供一种制备多孔碳纳米纤维负载钐掺杂纳米二氧化钛材料的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：（1）将钛的前驱体、钐的前驱体、水解抑制剂、聚合物、致孔剂及有机溶剂配成均匀的纺丝液；（2）将所述纺丝液进行静电纺丝，以便获得纳米纤维膜；（3）将所述纳米纤维膜在空气氛围、200～300摄氏度下进行预氧化处理1～6小时，以便获得稳定化纳米纤维；（4）将所述稳定化纳米纤维在500～1000摄氏度下进行碳化处理1～6小时，以便获得多孔碳纳米纤维负载钐掺杂二氧化钛材料。发明人发现，利用本发明的该方法，能够快速有效地制备获得多孔碳纳米纤维负载钐掺杂纳米二氧化钛材料，且操作简单，方便快捷。另外，在本发明的该方法中，采用静电纺丝和溶胶凝胶相结合的方法制备材料时工艺简单，且保证了材料的均一性；采用致孔剂，高温处理后在碳纳米纤维表面和内部形成的多孔结构增大了材料与反应物的接触面积；采用钐掺杂纳米二氧化钛，能够有效抑制纳米颗粒的团聚，拓宽了TiO₂光谱响应范围的同时，提高了TiO₂在太阳光或可见光下的光催化量子效率，同时本发明的该方法通过将多孔碳纳米纤维的吸附能力和钐掺杂纳米二氧化钛的光催化活性协同起来，使得通过该方法制备获得的多孔碳纳米纤维负载钐掺杂纳米二氧化钛材料的污水处理能力大幅提高。

根据本发明的实施例，在所述纺丝液中，所述聚合物的浓度为6～15wt%，所述致孔剂的浓度为2～15wt%，所述钛的前驱体及所述水解抑制剂的浓度为0.1～1.0mol/L，钐前驱体的浓度为0.005-0.02mol/L。由此，有利于获得纳米二氧化钛分布均匀、光催化效率高、吸附能力强的多孔碳纳米纤维负载钐掺杂纳米二氧化钛材料。

根据本发明的实施例，所述钛的前驱体的种类不受特别限制。在本发明的一些实施例中，所述钛的前驱体为选自钛酸四丁酯、钛酸、偏钛酸、硫酸氧钛、钛酸异丙酯、四氯化钛中的至少一种。根据本发明的实施例，所述钐的前驱体的种类不受特别限制。在本发明的一些实施例中，所述钐的前驱体为选自选自氧化钐、醋酸钐、硝酸钐、氯化钐、碘化钐中的至少一种。根据本发明的实施例，所述水解抑制剂的种类不受特别限制。在本发明的一些实施例中，所述水解抑制剂为选自醋酸、盐酸、硫酸、草酸中的至少一种。根据本发明的实施例，所述聚合物的种类不受特别限制。在本发明的一些实施例中，所述聚合物为选自聚丙烯腈、聚乙烯醇缩丁醛、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚乳酸（PLA）、聚左旋乳酸（PLLA）、聚丙烯酸（PAA）中的至少一种。根据本发明的实施例，所述致孔剂的种类不受特别限制。在本发明的一些实施例中，所述致孔剂为选自聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯醇（PVA）中的至少一种。根据本发明的实施例，所述有机溶剂的中类不受特别限制。在本发明的一些实施例中，所述有机溶剂为选自N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）、三氟乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷中的至少一种。