[发明专利]一种光催化剂/多孔碳纤维复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料的制备技术领域。

技术背景

近年来，伴随着我国工业的发展，环境污染已经严重影响了人民的生活和身体健康，成为我国一个亟待解决的问题。光催化处理技术由于可以将有机污染物还原成无机物，且反应速率快，光的利用效率高及无二次污染等特性被广泛关注。其中，如何提高光催化材料对于环境污染(特别是水质污染)的处理能力成为研究的热点。其中一种方法是将碳与光催化剂复合，利用碳的导电性，提高光催化剂的性能。例如，中国发明专利申请201510827373.0介绍了一种利用溶胶-凝胶法将金属氧化物与碳纳米管复合的光催化材料的制备方法，但是溶胶-凝胶法操作复杂，金属氧化物容易堆积，且碳纳米管不能提供较多的吸附孔道。但这个发明证明了将碳材料和光催化剂复合可以更好地处理有机废水，本发明提出了一种新的光催化剂/碳材料复合材料。本文采用更加简单的水热法来负载光催化剂，碳载体采用静电纺丝，静电纺丝法可以制备纳米级别的碳纤维，并且通过KOH活化造孔来增强碳纤维的吸附能力，使得此材料在最大程度上发挥对于污染物的处理功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种光催化剂/多孔碳纤维复合材料及其制备方法，与传统应用于颗粒状、棒状、球状的水热法相比，由于碳纤维大的比表面积应用于碳纤维上的水热法可以更好地分散光催化剂，使碳纤维兼具吸附与催化两种功能，而且整个制备过程条件温和，操作简单，适于大量生产。

本发明的第一个方面：

一种光催化剂/多孔碳纤维复合材料，包括有作为载体的多孔碳纤维，以及负载于其表面的光催化剂。

所述的光催化剂是CeO₂或者ZnO。

本发明的第二个方面：一种光催化剂/多孔碳纤维复合材料的制备方法，

包括以下步骤：

(1)将固态高聚物溶解于有机溶剂中，形成纺丝前驱体；

(2)将纺丝前驱体静电纺丝，制得电纺原丝；

(3)将电纺原丝经过预氧化、碳化后，获得碳纤维；

(4)将碳纤维经KOH活化，然后再经5％的HCl溶液和蒸馏水清洗，干燥，获得多孔碳纤维；

(5)利用水热法将光催化剂负载于多孔碳纤维上，经无水乙醇、蒸馏水清洗，干燥，获得光催化剂/多孔碳纤维复合材料。

本发明利用静电纺丝法可大量生产，简单易行的特点制备碳纤维，并利用活化手段将碳纤维变为多孔碳纤维，以此提高其吸附性能，然后通过水热负载制备光催化剂/多孔碳纤维复合材料。

进一步地，本发明所述高聚物为聚丙烯腈(PAN)或聚维酮(PVP)。PAN或PVP为易纺丝的高聚物，提高了纺丝过程的可操作性。

所述有机溶剂为无水乙醇或二氯甲烷(DMF)。这些溶剂可以更好的溶解PAN或PVP，便于纺丝。

所述静电纺丝的纺丝电压为15kV，接收距离为20cm，环境温度为≤40℃，环境湿度≤30％，纺丝液流速2mm/min，注射器的倾斜角度为15°。在此条件下，纺丝过程更容易操作，便于成丝。

所述预氧化的环境温度为250℃，预氧化的时间为2h。在此温度和时间内对纤维原丝预氧化，可使得原丝中高分子经过环化脱氢作用转化为耐高温的梯形结构，以便保证原丝在高温碳化下的稳定性。

所述碳化在氮气(N₂)中进行，升温速率为5℃/min，在温度为800℃条件下恒温2h，可以使碳化更加充分含碳量更高。

所述活化条件为碳纤维与KOH质量比为3:4，将碳纤维浸没在KOH溶液中2h，然后在烘箱中80℃烘干，再将烘干过后的碳纤维置于管式炉中，从室温以10℃/min升温至800℃，保温30min后降至室温，在此条件下活化，纤维的比表面积及孔道分布更好。

所述的光催化剂为CeO₂、ZnO等，这些都是廉价易得的。

本发明的第三个方面：

所述的光催化剂/多孔碳纤维复合材料在用于含有机物废水的降解中的应用。

本发明的优点及积极效果在于：

1.本发明利用静电纺丝法可大量生产，简单易行的特点制备碳纤维，并利用活化手段将碳纤维变为多孔碳纤维，以此提高其吸附性能，然后通过水热负载制备光催化剂/多孔碳纤维复合材料。

2.该方法制备的光催化剂/多孔碳纤维复合材料兼具了吸附与催化两种功能，特别是通过将碳纤维活化造孔，在一定程度上提高了碳纤维的吸附功能，增强其对污染物的去除效果。