[发明专利]一种超长二氧化钛纳米线/活性炭纤维三维多孔复合材料及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米线材料制备领域，具体涉及一种超长二氧化钛纳米线/活性碳纤维三维多孔复合材料及制备方法和应用。

背景技术

自上个世纪以来，全球工业得到了迅猛发展。工业的发展给人类的生活带来了日新月异的变化，同时也给人类生活的环境造成了巨大的威胁和危害，因此环境污染的控制和治理是21世纪人类面临和亟待解决的重大问题。在众多污染中，除了工业、生活产生的废水、废渣这些有形的污染物，那些不易觉察的挥发性有机化合物(VOC)污染危害更大。

针对挥发性有机化合物的处理方法有吸附、生物处理、化学处理、热处理、催化氧化、相转移和光催化降解等方法。吸附和光催化降解被认为是消除空气中这类污染物最有效的方法之一。

吸附能够快速去除污染物，但容易达到饱和吸附而失活，需要定期更换吸附材料。光催化技术是一种绿色环保的技术，利用太阳光激发半导体材料产生光生电子-空穴对，然后在空气中氧气和水的作用下产生氧化性很强的活性自由基，然后与VOC分子作用最终生将其降解成无毒无害的CO₂、H₂O等小分子物质。因此，光催化技术除净度高、无二次污染、不需要在反应中引入其它化学物种、可利用廉价的太阳能对有机物进行降解。目前被广泛研究的主要是半导体金属氧化物，如TiO₂、ZnO、α-Al₂O₃、SnO₂等。半导体TiO₂ 因其光化学性质稳定、无毒、廉价、对有机物的降解选择性低且无二次污染等特点成为目前公认最有应用潜力的一种光催化剂。Degussa公司生产的P25型TiO₂是目前应用最多的光催化材料。但二氧化钛作为光催化剂仍存在一些缺点，主要是由于禁带太宽，光子利用率低，自由基生成速率低，催化效率不高。并且催化剂虽然颗粒较小，但分散不均匀，与挥发性有机化合物气体分子吸附力不强，难以高效率的降解有机分子。

专利由于活性碳纤维多孔材料具有很好的吸附性能，与光催化技术结合，利用活性碳纤维高效吸附的特点，将污染物富集在TiO₂表面，这样活性碳纤维丝束的吸附与催化剂TiO₂催化起到一个协同作用，可成倍加速催化反应的进行，有望大大提高其作用速率进而快速净化空气。

目前，大多数负载到活性碳纤维上的TiO₂都为颗粒状、片状或短棒状，含钛量低、比表面积小，对有害气体吸附能力弱，催化速率不高等因素直接影响了光催化降解的效率。

发明内容

本发明旨在提供一种超长二氧化钛纳米线/活性碳纤维三维多孔复合材料及制备方法和应用，所制备的材料内包含形成大量超长二氧化钛纳米线，有效提高材料的光催化降解效率。

一种超长二氧化钛纳米线/活性碳纤维三维多孔复合材料，该材料以活性碳纤维为骨架，活性碳纤维之间具有直径为30～100nm、长度为50～200微米的超长二氧化钛纳米线，超长二氧化钛纳米线由直径为10～30nm的二氧化钛颗粒、短棒组合而成，超长二氧化钛纳米线之间的孔径大小为2～37微米、比表面积560～600m²/g，该复合材料中二氧化钛含量为44wt％～47wt％。

一种超长二氧化钛纳米线/活性碳纤维三维多孔复合材料及制备方法和应 用，步骤包括：

(1)将预处理活化后的活性碳纤维加入到二氧化钛原始生长液中，通过第一次水热合成在活性碳纤维表层形成二氧化钛颗粒，得到颗粒纳米二氧化钛/活性碳纤维复合材料；

(2)颗粒纳米二氧化钛/活性碳纤维复合材料在碱性溶液中经过第二次水热合成反应，得到超长钛酸盐纳米线/活性碳纤维复合材料；

(3)超长钛酸盐纳米线/活性碳纤维复合材料在酸性溶液中经过第三次水热合成反应，将钛酸盐转化为锐钛矿晶型，转换为超长二氧化钛纳米线/活性碳纤维三维多孔复合材料。

所述活性碳纤维选自粘胶基活性碳纤维、聚丙烯腈基活性碳纤维、沥青基活性碳纤维、酚醛纤维基活性碳纤维或聚乙烯醇基活性碳纤维，优选为粘胶基活性碳纤维。

步骤(1)的第一次水热合成反应条件为：在150～280℃温度下反应1～48h；优选的，在180～250℃下反应4～15h。

所述活性碳纤维选自粘胶基活性碳纤维、聚丙烯腈基活性碳纤维、沥青基活性碳纤维、酚醛纤维基活性碳纤维或聚乙烯醇基活性碳纤维，优选为粘胶基活性碳纤维。活性碳纤维活化的方法为：将活性碳纤维置于王水中浸泡处理5～48h，并洗涤至中性，烘干。