一种以活性炭纤维为载体的TiO2纳米棒光催化网的制备方法与流程

【技术领域】

本发明涉及催化网的技术领域，特别涉及一种以活性炭纤维为载体的tio2纳米棒光催化网的制备方法，制备的催化网可高效处理空气中的挥发性有机污染物。

背景技术：

以往的空气净化技术大多采用吸附剂吸附空气中有机污染物，但此种方法只能暂时富集或转移污染物，而不能对污染物进行无害化处理，仍存在二次污染问题。而利用纳米tio2催化降解空气中有机污染物，降解的最终产物为co2和h2o，既没有其它毒副产物产生也没有二次污染。同时纳米粒子的量子尺寸效应可以是纳米tio2的紫外吸收光谱蓝移，增强光的利用率，提高催化活性。而与tio2纳米颗粒相比，tio2纳米棒因具有较大的长径比，从而具有较强的吸附能力和定向传导电子能力，能有效降低光生电子的复合几率，提高光生电子和空穴的有效利用率，增强其光催化活性和光电转化特性，而且由于tio2纳米棒呈现金红石晶型，相对颗粒状的锐钛晶型具有更好的稳定性，在光催化降解有机污染物、光催化制氢、太阳能电池、气敏元件和生物传感器等方面有着广泛的应用前景。活性炭纤维布或毡因具有密度小、阻力小、比表面积大、吸附性能好、可塑形等优点，已被广泛应用各种技术领域。

综合tio2纳米棒的光催化性能与活性炭纤维布或毡具有的密度小、阻力小、吸附性能好、可塑形的优点，制备出复合催化材料，在室内空气有机污染物处理方面具有诱人的应用前景。

tio2催化网的制备专利大多以纳米颗粒负载在活性炭纤维或其它具有一定吸附性的载体上，应用于水处理领域，如专利cn1943850a、cn100998934a、cn1943851a、cn1973997a。近年也有tio2纳米棒相关专利出现，但以空心玻璃微球为基底，如专利cn102199004。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种以活性炭纤维为载体的tio2纳米棒光催化网的制备方法，其旨在提高二氧化钛光催化网的光催化效率。

为实现上述目的，本发明提出了一种以活性炭纤维为载体的tio2纳米棒光催化网的制备方法，包括如下步骤：

s1)活性炭纤维前处理

s1.1)将活性炭纤维布或活性炭纤维毡依次浸入氢氧化钠溶液、硝酸溶液超声清洗；以去离子水浸泡活性炭纤维布或活性炭纤维毡，每次30min，共三次；

s1.2)然后将活性炭纤维布或活性炭纤维毡浸没于工业乙醇中，以去离子水浸泡活性炭纤维，每次30min，共三次，烘干，待用；

s2)活性炭纤维上二氧化钛纳米薄膜的生成

s2.1)将钛酸四丁酯在磁力搅拌下逐滴滴加到无水乙醇中，得稳定的淡黄色透明溶液a；将h2o、无水乙醇、硝酸配成均匀溶液b；

s2.2)在磁力搅拌的条件下，将溶液b逐滴滴加到浸有活性炭纤维布或活性炭纤维毡的溶液a中，待形成均匀透明的溶胶后，室温下陈化一段时间，钛酸四丁酯分解产生二氧化钛，慢慢取出活性炭纤维布或活性纤维毡，烘干，高温焙烧后，自然冷却至室温待用；

s3)活性炭纤维上二氧化钛纳米棒生长

s3.1)量取一定量无水乙醇加入烧杯中，将钛酸四丁酯在超声条件下逐滴加入，再加入一定量浓盐酸，搅拌条件下滴加去离子水；

s3.2)取一定量经过步骤s2)处理的活性炭纤维布或活性炭纤维毡，加入经步骤s3.1)制得的混合溶液中，然后转入水热反应釜中，恒温反应一段时间后自然冷却至室温，再经抽滤、乙醇洗涤、干燥，即得到活性炭纤维负载的tio2纳米棒光催化网。

作为优选，所述的步骤s1.1)中活性炭纤维布为聚丙烯腈或粘胶基活性炭纤维布，厚度0.1～2mm，堆积密度0.04～0.09g.cm^-3，表面积(bet)700～1600m².g^-1；活性炭纤维毡为聚丙烯腈或粘胶基活性炭纤维片，厚度2～5mm，堆积密度0.04～0.08g.cm^-3，表面积(bet)800～1800m².g^-1。

作为优选，所述的步骤s1.1)中氢氧化钠溶液的质量浓度为10～50％，硝酸溶液的质量浓度为30～65％，超声清洗的时间为10～40min；所述的步骤s1.2)中在工业乙醇中浸没时间为120min。

作为优选，所述的硝酸溶液的质量浓度为40％。

作为优选，所述的步骤s2.1)中钛酸四丁酯与硝酸的体积比在5～9范围内。

作为优选，所述的钛酸四丁酯与硝酸的体积比为7。

作为优选，所述的步骤s2.2)中钛酸四丁酯分解产生的二氧化钛的量为活性炭纤维布或活性炭纤维毡的1.2～1.4％(wt％)，溶胶陈化时间为120±30min，高温焙烧温度为450～500℃，高温焙烧时间为120±30min，高温焙烧为无氧条件。

作为优选，二氧化钛的量为活性炭纤维布或活性炭纤维毡的1.3％(wt％)，所述的溶胶陈化时间为120min，高温焙烧温度为480℃，高温焙烧时间为120min。

作为优选，所述的步骤s3.1)中无水乙醇：钛酸四丁酯：浓盐酸：去离子水的体积比为5：1：10：5，所加入的浓盐酸的质量浓度为37％。

作为优选，所述的步骤s3.2)中恒温反应时间为12±4小时，反应温度160～200℃，活性炭纤维负载的tio2纳米棒光催化网中tio2薄膜与活性炭纤维布或活性炭纤维毡的质量比为10～20％。

作为优选，所述的恒温反应时间为12小时，反应温度为180℃，tio2薄膜与活性炭纤维布或活性炭纤维毡的质量比为15％，tio2薄膜厚度约30～100nm，tio2薄膜中的tio2纳米棒晶型为金红石型，tio2纳米棒的长度小于1.5μm，直径为20～100nm。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明提供的一种以活性炭纤维为载体的tio2纳米棒光催化网的制备方法，制备工艺流程短，易于控制，所得以活性炭纤维布或活性炭纤维毡为载体的光催化复合材料具有比表面积大、质轻、阻力小、柔性好、负载强度高、负载均匀、光催化活性高、光催化性能稳定等特点，克服了锐钛型光催化剂在空气中不稳定的缺点，对甲醛的降解效率达90％，可高效处理空气中的挥发性有机污染物。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明实施例所用的活性炭纤维布或活性炭纤维毡的活性炭纤维sem图；

图2是本发明实施例所制得活性炭纤维表面沉积二氧化钛薄膜的sem图；

图3是本发明实施例所制得的光催化复合材料的sem图。

【具体实施方式】

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明实施例提供一种以活性炭纤维为载体的tio2纳米棒光催化网的制备方法，包括如下步骤：

s1)活性炭纤维前处理

称取5g活性炭纤维布或活性炭纤维毡，浸入到质量浓度为10～50％的氢氧化钠溶液中，优选氢氧化钠溶液质量浓度为35％，超声条件下清洗30min，以大量去离子水洗涤去除吸附的氢氧化钠后，浸入质量浓度为30～65％的硝酸溶液中，优选硝酸溶液的质量浓度为40％，次选硝酸溶液的质量浓度为55％，超声条件下清洗30min，以大量去离子水洗涤去除吸附的硝酸后，将其浸没于工业乙醇中，120min后取出，烘干，待用。

其中，活性炭纤维布为聚丙烯腈或粘胶基活性炭纤维布，厚度0.1～2mm，堆积密度0.04～0.09g.cm^-3，表面积(bet)700～1600m².g^-1；活性炭纤维毡为聚丙烯腈或粘胶基活性炭纤维片，厚度2～5mm，堆积密度0.04～0.08g.cm^-3，表面积(bet)800～1800m².g^-1，活性炭纤维布或活性炭纤维毡上的活性炭纤维的sem图如图1所示。

s2)活性炭纤维上二氧化钛纳米薄膜的生成

室温下将7mlti(o-bu)4缓慢倒入100ml无水乙醇中，搅拌30min，得到均匀淡黄色透明溶液a，将1ml硝酸加入到4ml去离子水与7ml无水乙醇中，搅拌均匀得到溶液b，在磁力搅拌下将溶液b逐滴滴加到浸有经步骤s1)处理后的120g活性炭纤维布或活性炭纤维毡的溶液a中，待形成均匀透明的溶胶后，室温陈化120min，慢慢取出活性炭纤维布或活性炭纤维毡，60℃烘干，480℃无氧条件下焙烧120min后，自然冷却至室温待用，制得的活性炭纤维表面沉积二氧化钛薄膜的sem图如图2所示。

s3)活性炭纤维上二氧化钛纳米棒生长

量取12ml无水乙醇加入200ml烧杯中，滴加2.4ml钛酸四丁酯搅拌10min，再加入24ml质量浓度为37％的盐酸，搅拌30min后滴加去离子水12ml，至混合溶液总体积约为50ml。

称取约25g活性炭纤维布或活性炭纤维毡，加入至上述混合溶液中，然后转入100ml水热反应釜中，加热至180℃并保温反应12h。冷却产物至室温，再经抽滤、乙醇洗涤、去离子水洗涤、60℃干燥，即得到活性炭纤维布或活性炭纤维毡表面生长tio2纳米棒的催化网，即光催化复合材料，tio2纳米棒的长度为0.1～1.3μm，tio2纳米棒与活性炭纤维布或活性炭纤维毡的质量比为15％，光催化复合材料的sem图如图3所示。

本发明一种以活性炭纤维为载体的tio2纳米棒光催化网的制备方法，先用溶胶凝胶法先在活性炭纤维表面生成一层二氧化钛薄膜，再运用薄膜诱导法在已生成的二氧化钛薄膜表面生长二氧化钛纳米棒，由活性炭纤维和负载在其表面的tio2纳米棒组成；所述活性炭纤维为市售活性炭纤维布或纤维毡；tio2薄膜厚度约30～100nm；tio2纳米棒晶型为金红石型，tio2纳米棒的长度小于1.5μm，直径为20～100nm。本发明制备工艺流程短，易于控制，所得以活性炭布或毡为载体的光催化复合材料具有比表面积大、质轻、阻力小、柔性好、负载强度高、负载均匀、光催化活性高、光催化性能稳定等特点，克服了锐钛晶型光催化剂在空气中不稳定的缺点，对甲醛的降解效率达90％，可高效处理空气中的挥发性有机污染物。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。