[发明专利]一维碳纳米纤维@TiO2的核壳结构的光催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料的制备方法，尤其涉及一种一维碳纳米纤维TiO₂的核壳结构的光催化剂的制备方法。

背景技术

随着工业化的发展和人口迅速增长，人类对化石燃料的依赖日益严重。然而化石燃料的储存量非常有限且不可再生，且在化石燃料燃烧的过程中释放大量的CO₂引起温室效应。半导体光催化技术利用太阳能将CO₂光催化还原成可再生的碳氢燃料（甲烷、甲醇等），被认为是解决能源危机和环境污染的由效途径之一。自从Inoue等人报道了半导体材料在水溶液中光催化还原CO₂的研究以来，各种半导体材料，如TiO₂、ZnO、ZnGa₂O₄、WO₃等，已被广泛研究。在这些半导体中，TiO₂由于成本廉价，无毒，长期的稳定性，被认为是最具有发展前景的光催化剂之一。但是TiO₂光催化剂在制备过程中容团聚使其具有较小的比表面积导致其光生载流子电荷复合率较高，此外由于TiO₂具有较大的带隙只能吸收波长在紫外区的太阳光，导致TiO₂光催化剂的光催化效率通常较低。鉴于此，大量研究工作试图通过增强TiO₂的光吸收能力和减少TiO₂光生载流子的复合率提高其光催化活性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种简便易行、低成本的一维碳纳米纤维TiO₂的核壳结构的光催化剂的制备方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术手段是：一维碳纳米纤维TiO₂的核壳结构的光催化剂的制备方法，首先利用静电纺丝方法制备碳纳米纤维，而后对碳纳米纤维酸处理，再利用水热法合成碳纳米纤维TiO₂核壳结构，最后进行清洗处理，将利用水热法合成碳纳米纤维TiO₂核壳结构中所得反应物用去离子水充分清洗后，在烘箱中干燥烘干，即制得一维碳纳米纤维TiO₂的核壳结构的光催化剂。

进一步的，所述烘箱中干燥烘干的温度为60～80℃，时间为6～8h。

进一步的，所述静电纺丝方法制备碳纳米纤维是指：制备PAN的DFM溶液作为纺丝溶液，利用平板作为接收极，采用垂直接收的方式进行静电纺丝，得到柔性PAN原丝，然后通过马弗炉低温预氧化及管式炉高温碳化处理，得到碳纳米纤维。

更进一步的，所述纺丝溶液的质量比为10wt%的PAN的DFM溶液，制备过程中必须边搅拌边加热，加热温度为60～80℃，加热时间2～3h。

更进一步的，所述静电纺丝过程中，其中高压电压设定为14～18kV，喷丝针头的内径为0.4～0.8mm，接收板距离纺丝针头距离为12～17cm，纺丝液的出料速度为0.4～0.8mL/h，纺丝腔体的相对空气湿度控制为30%～40%；在24～28℃下连续纺丝9～11h得到白色的PAN原丝，将PAN原丝在马弗炉中250～350^oC下预氧化稳定2～3h，马弗炉的升温速率为2^oC/min，最后将预氧化后纤维放入管式炉中并在N₂保护下750～850^oC碳化2～3h，管式炉的升温速率设定为5^oC/min，碳化后得到碳纳米纤维。

进一步的，所述碳纳米纤维酸处理是指：将静电纺丝方法制备的碳纳米纤维添加至酸溶液中，加热进行酸处理，然后用去离子水清洗碳纳米纤维表面残留的酸，并在烘箱中烘干。

更进一步的，所述酸为4M硝酸溶液，在油浴锅中80～100℃加热回流6～8h进行酸处理，而后用去离子水清洗碳纳米纤维表面至pH=7，清洗用去离子水离心洗涤。

进一步的，所述利用水热法合成碳纳米纤维TiO₂核壳结构是指：将碳纳米纤维经过酸处理后，超声分散到去离子水中，然后添加半胱氨酸、硫酸钛、尿素，继续超声分散，最后将混合溶液转移到水热反应釜中进行水热反应。

更进一步的，所述添加半胱氨酸：硫酸钛：尿素的摩尔比为2:1:4。

更进一步的，所述水热反应釜中水热反应温度设定为160～200℃之间，反应时间设定为10～14h。