一种纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈及其制备方法与流程

1.本发明涉及空气净化材料领域，特别是涉及一种纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈及其制备方法。


背景技术：

2.现代建筑物，尤其是那些具有高能源效率的建筑物如写字楼、医院、学校等，通常其通风设施的不完备导致其通风效率较差，因此在室内空气质量方面存在较大的安全隐患，而这可能会严重影响到这些建筑物内居住者的身体健康。随着人们生活水平的提高，室内空气质量备受关注，其中甲醛作为最常见、最广泛的挥发性有机物(vocs)对人体健康危害尤为突出。据世界卫生组织研究报道，甲醛污染会导致鼻咽癌、白血病、刺激呼吸黏膜、胎儿畸形等多种疾病。室内甲醛主要自来于建筑材料、家具和涂料等室内装修材料，且具有释放时间长的特点。据统计人们有80％的时间在室内进行，人体长期暴露在含甲醛的空气中所带来的潜在风险不容忽视。因此，开发能够在室温下即可高效快速净化空气中甲醛的经济且环保的材料应运而生。
3.目前，在治理和净化室内空气方面，尤其是在去除室内空气中的甲醛方面有多种方法和途径，较为成熟的方法有：吸附(包括物理吸附和化学吸附)，生物吸收，热催化分解以及光催化氧化降解。其中相当多的研究及科研成果表明，催化剂结构、微观形貌以及材料表面所具有的极性基团如表面羟基是影响负载贵金属型催化剂催化活性的主要影响因素。催化剂大致可以分为金属氧化物如zno、al2o3、ceo2、mno2及部分复合氧化物，非金属化合物如g-c3n4及其与金属氧化物的复合材料如g-c3n4/zno等，此类催化剂只有在特定的条件和额外提供能源时才能达到高效净化室内空气中甲醛的效果。因此，设计和制备成本低廉、制备工艺简洁、无毒无害、便于回收利用和环境友好型催化剂具有重大的研究意义。


技术实现要素：

4.基于此，本发明的目的在于，提供一种纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈及其制备方法。
5.第一方面，本发明提供一种纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈的制备方法，包括：
6.将硅溶胶、乳酸按质量比为10:7混合搅拌，制得硅源溶液；将高分子聚合物搅拌溶于溶剂中，制得物质的量浓度为5％-15％的高分子聚合物溶液；将硅源溶液与高分子聚合物溶液按物质量浓度比为2:1混合、搅拌，制得纺丝液；
7.利用纺丝液通过静电纺丝法制备二氧化硅纤维前驱体，将二氧化硅纤维前驱体通过烧结制得纳米二氧化硅纤维膜；
8.将10.8gnaoh溶解于10ml去离子水中，取0.56g ce(no3)3溶解在10ml去离子水中，将两种溶液混合，磁力搅拌，得到二氧化铈溶液；
9.将纳米二氧化硅纤维膜在二氧化铈溶液中浸泡，将纤维取出后烘干，放入微波炉中加热，再将纤维放入管式炉中，在惰性气体氛围下加热，保温，然后自然冷却，得到纳米二
氧化硅纤维负载二氧化铈。
10.上述技术方案在一种实施方式中，将硅溶胶、乳酸按质量比为10:7置于锥形瓶中进行密封混合，在水浴45℃下搅拌，制得硅源溶液。
11.上述技术方案在一种实施方式中，所述的硅溶胶为氨稳定型硅溶胶，其硅含量为30％。
12.上述技术方案在一种实施方式中，将高分子聚合物按物质的量浓度为5％-15％，在45℃-85℃下搅拌2-6h溶于溶剂中，制得物质的量浓度为5％-15％的高分子聚合物溶液。
13.上述技术方案在一种实施方式中，所述的高分子聚合物为聚乙烯醇，所述溶剂为纯水。
14.上述技术方案在一种实施方式中，所述利用纺丝液通过静电纺丝法制备二氧化硅纤维前驱体，包括：将纺丝液溶液倒入无针静电纺丝机的液槽中，进行静电纺丝，相关参数如下：正电压15kv，负电压5kv，针头转速为50r/min，接收装置到针头的距离为15cm，接收装置转速为50r/min。
15.上述技术方案在一种实施方式中，所述将二氧化硅纤维前驱体通过烧结制得纳米二氧化硅纤维膜，包括：将二氧化硅纤维前驱体置于马弗炉中，以2℃/min的升温速度升至850℃，保温2h，再以5℃/min的升温速度升至1400℃，保温3h，制得纳米二氧化硅纤维膜。
16.上述技术方案在一种实施方式中，将10.8gnaoh溶解于10ml去离子水中，取0.56g ce(no3)3溶解在10ml去离子水中，将两种溶液混合，在500r/min的转速下磁力搅拌20min，得到二氧化铈溶液。
17.上述技术方案在一种实施方式中，将纳米二氧化硅纤维在二氧化铈溶液中浸泡10min，将纤维取出后在真空干燥箱中烘干，后放入微波炉中于280℃下加热10min，最后将纤维放入管式炉中，在惰性气体氛围下加热至500℃，加热速度为7℃/min，保温2h，然后自然冷却至室温，得到纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈；
18.其中，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种。
19.第二方面，本发明提供一种纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈，由上述任一项所述的一种纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈的制备方法制备而成。
20.本发明的纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈及其制备方法的有益效果：
21.本发明所制备的纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈，由硅溶胶制备二氧化硅纳米纤维膜为基底材料，通过水热法用硝酸铈制备二氧化铈，再通过负载在二氧化硅纤维膜上来达到甲醛去除的效果。本发明所制备的二氧化铈负载二氧化硅纤维不仅具有室温催化氧化甲醛活性的作用，而且还具有优异的室温荧光灯照射增强活性，对甲醛具有高效的催化降解作用。另外，本发明所制备的纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈成本低廉、制备工艺简洁、无毒无害、环境友好，适于就行推广应用。
22.为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
23.图1是纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈除甲醛实验曲线图。
24.图2是普通二氧化硅滤膜除甲醛实验曲线图。
具体实施方式
25.在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于其构造进行定义的，它们是相对的概念。因此，有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。
26.以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与本公开的一些方面相一致的实施方式的例子。
27.在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
28.第一方面，本发明提供一种纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈的制备方法，包括：
29.步骤101，将硅溶胶、乳酸按质量比为10:7混合搅拌，制得硅源溶液；将高分子聚合物搅拌溶于溶剂中，制得物质的量浓度为5％-15％的高分子聚合物溶液；将硅源溶液与高分子聚合物溶液按物质量浓度比为2:1混合、搅拌，制得纺丝液。
30.硅溶胶与乳酸混合搅拌后，会得到纳米级分散的二氧化硅；加入高分子聚合物则是使得纳米级分散的二氧化硅能与高分子聚合物的链键结合，从而制备出可进行静电纺丝的纺丝液。
31.在具体实施时，将硅溶胶、乳酸按质量比为10:7置于锥形瓶中进行密封混合，在水浴45℃下搅拌，制得硅源溶液。
32.优选地，所述的硅溶胶为氨稳定型硅溶胶，其硅含量为30％。
33.在一种实施方式中，将高分子聚合物按物质的量浓度为5％-15％，在45℃-85℃下搅拌2-6h溶于溶剂中，制得物质的量浓度为5％-15％的高分子聚合物溶液。
34.优选地，所述的高分子聚合物为聚乙烯醇，所述溶剂为纯水。
35.步骤102，利用纺丝液通过静电纺丝法制备二氧化硅纤维前驱体，将二氧化硅纤维前驱体通过烧结制得纳米二氧化硅纤维膜。
36.在一种实施方式中，所述利用纺丝液通过静电纺丝法制备二氧化硅纤维前驱体，包括：将纺丝液溶液倒入无针静电纺丝机的液槽中，进行静电纺丝，相关参数如下：正电压15kv，负电压5kv，针头转速为50r/min，接收装置到针头的距离为15cm，接收装置转速为50r/min。
37.上述技术方案在一种实施方式中，所述将二氧化硅纤维前驱体通过烧结制得纳米二氧化硅纤维膜，包括：将二氧化硅纤维前驱体置于马弗炉中，以2℃/min的升温速度升至850℃，保温2h，再以5℃/min的升温速度升至1400℃，保温3h，制得纳米二氧化硅纤维膜。
38.步骤103，将10.8gnaoh溶解于10ml去离子水中，取0.56g ce(no3)3溶解在10ml去离子水中，将两种溶液混合，磁力搅拌，得到二氧化铈溶液。
39.在一种实施方式中，将10.8gnaoh溶解于10ml去离子水中，取0.56g ce(no3)3溶解在10ml去离子水中，将两种溶液混合，在500r/min的转速下磁力搅拌20min，得到二氧化铈溶液。
40.步骤104，将纳米二氧化硅纤维膜在二氧化铈溶液中浸泡，将纤维取出后烘干，放
入微波炉中加热，再将纤维放入管式炉中，在惰性气体氛围下加热，保温，然后自然冷却，得到纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈。
41.在一种实施方式中，将纳米二氧化硅纤维在二氧化铈溶液中浸泡10min，将纤维取出后在真空干燥箱中烘干，后放入微波炉中于280℃下加热10min，最后将纤维放入管式炉中，在惰性气体氛围下加热至500℃，加热速度为7℃/min，保温2h，然后自然冷却至室温，得到纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈。
42.其中，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种。
43.第二方面，本发明提供一种纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈，由上述纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈的制备方法制备而成。
44.实施例
45.称取10g硅溶胶，将其置于锥形瓶中，再加入7g乳酸密封搅拌混合，水浴45℃，搅拌4h，制得硅源溶液；
46.称取10g聚乙烯醇(分子量为20万)，将其溶解在100g纯水中，在90℃下搅拌8h，制得聚乙烯醇溶液；将硅源溶液、聚乙烯醇溶液按物质比为2:1水浴45℃进行加热搅拌，制得纺丝液。
47.通过静电纺丝法，将纺丝液置于无针静电纺丝机的液槽中，进行静电纺丝，纺丝参数如下：正电压15kv，负电压5kv，纺丝距离为15cm，针头转速为30r/min，接受板转速为50r/min，进行静电纺丝5h，制得二氧化硅纤维前驱体。将二氧化硅纤维前驱体置于马弗炉中，以2℃/min的升温速度升至850℃，保温2h，再以5℃/min的升温速度升至1400℃，保温3h，制得纳米二氧化硅纤维膜。
48.将10.8gnaoh溶解于10ml去离子水中，取0.56g ce(no3)3溶解在10ml去离子水中，将两种溶液混合，磁力搅拌，得到二氧化铈溶液。
49.将制得纳米二氧化硅纤维膜在二氧化铈溶液中浸泡10分钟，取出后在真空干燥箱中烘干，后放入微波炉中于280℃下加热10min，最后将纤维放入管式炉中，在惰性气体氛围下加热至500℃，加热速度为7℃/min，保温2h，然后自然冷却至室温，得到纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈。
50.在手套箱体内，分别将5*5cm的纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈及普通二氧化硅滤膜置于制冷片上，将1ppm浓度的甲醛溶液通过移液枪注射在玻璃板上，打开风扇，持续搅拌5min使得空气与释放的甲醛混匀后，关闭风扇，测定初始甲醛浓度值，分别开启制冷片，进行照射玻璃培养皿上，开启美国interscan便携式4160-2甲醛检测仪，间隔1h记录一次数据，记录数据见表1和表2。
[0051][0052][0053]
表1
[0054][0055]
表2
[0056]
根据表1和表2分别制作甲醛浓度随时间的曲线图，分别见图1和图2。
[0057]
通过上述实施例获得的表1、表2、图1和图2，可以看出，普通二氧化硅滤膜除醛率仅为35％，普通二氧化硅滤膜对于甲醛的吸附效果一般。而使用纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈进行甲醛吸附测试得出数据可以看出，纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈除醛率高达99％，说明纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈对于甲醛具有比较完美的去除效果。
[0058]
本发明的纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈及其制备方法的有益效果：
[0059]
本发明所制备的纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈，由硅溶胶制备二氧化硅纳米纤维膜为基底材料，通过水热法用硝酸铈制备二氧化铈，再通过负载在二氧化硅纤维膜上来达到甲醛去除的效果。本发明所制备的二氧化铈负载二氧化硅纤维不仅具有室温催化氧化甲醛活性的作用，而且还具有优异的室温荧光灯照射增强活性，对甲醛具有高效的催化降解作用。另外，本发明所制备的纳米二氧化硅纤维负载二氧化铈成本低廉、制备工艺简洁、无毒无害、环境友好，适于就行推广应用。
[0060]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。