/CuO/Cu全介孔纳米纤维在光催化剂中的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高纯度Ti02/Cu0/Cu全介孔纳米纤维在光催化剂中的应用，属于纳米纤维技术领域和光催化剂技术领域。
【背景技术】
[0002]环境污染和能源危机的日益加剧，已经严重制约了人类经济和社会的可持续发展，开发和利用可再生能源成为了全球共同关注的热点问题之一。太阳能是人类可利用最为丰富的能源供给，有效开发和利用太阳能成为了目前研究者们最为关注的研究议题。光催化技术是利用半导体光催化剂吸收太阳能分解水制氢或是降解有毒的污染物，具有反应条件温和、无二次污染和成本低廉等优点，成为了太阳能开发和利用的一个重要技术手段。光催化技术的核心是光催化剂的研制，其中T12纳米粉体如P25是目前最为常用的光催化剂，因其无毒、便宜等优点而受到了研究者们的青睐。然而，在实际应用中，有两个问题仍然制约着1102纳米粉体光催化剂的广泛应用:1)光催化反应中光生电子-空穴对易复合，光催化效率较低；2)传统的1102纳米粉体光催化剂存在比表面积偏低，而且在液相光催化体系下纳米颗粒容易团聚，无法保证稳定高效的光催化活性。
[0003]铜氧化物的代表CuO属于P型半导体，而且其带隙较窄，与η型的T12复合后形成ρ-η型的T12-CuO光催化剂，紫外光激发时，从T12价带(VB)上跃迀的受激电子，易与其导带(CB)接近的CuO的空穴结合，具有强还原性激发电子和强氧化性的空穴分别保持在CuO的导带(CB)和T12的价带(VB)上，实现了光生电子和空穴的有效分离。此外，单质Cu修饰T12亦可有效延长光生载流子的寿命，强化其光催化性能。全介孔结构的纳米纤维光催化剂具有典型的中孔构造和一维结构，赋予其高比表面和稳定的几何结构，在光催化反应中能够保持高效稳定的光催化活性。因此，基于以上讨论，如能探索一种有效的方法制备Ti02/Cu0/Cu光催化剂，将有望解决目前传统1102纳米粉体光催化剂存在的主要问题，有力推动光催化技术在太阳能转换领域的应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种可有效应用在光催化剂中的高纯度全介孔结构的Ti02/Cu0/Cu纳米纤维，且其催化活性高效、稳定。
[0005]本发明的目的可通过下列技术方案来实现:高纯度Ti02/Cu0/Cu全介孔纳米纤维在光催化剂中的应用，所述纳米纤维主要组成元素为T1、0、Cu，主要表现形式为Ti02、CuO,Cu，所述纳米纤维具有多孔结构，所述多孔结构的孔包括介孔。
[0006]作为优选，所述纳米纤维具有多孔结构且所述多孔结构的孔均为全介孔。
[0007]作为优选，所述纳米纤维的比表面积为15-40m2/g，孔径值为30_45nm。
[0008]高纯度Ti02/Cu0/Cu全介孔纳米纤维在光催化剂中的应用为将高纯度Ti02/Cu0/Cu全介孔纳米纤维分散于分解物质中在光照射下发生催化反应，其中分解物质为含水和降解物质的物质。
[0009]作为优选，所述水与降解物质的体积比为2-5:1。
[0010]进一步优选，所述降解物质为有机质。
[0011]再进一步优选，所述有机质为甲醇。
[0012]上述高纯度Ti02/Cu0/Cu全介孔纳米纤维可通过如下制备方法制得:
[0013]配制前驱体纺丝液；
[0014]将前驱体纺丝液进行静电纺丝得到有机前驱体纳米纤维；
[0015]将有机前驱体纳米纤维经高温煅烧，即可得Ti02/Cu0/Cu全介孔纳米纤维。
[0016]在上述高纯度Ti02/Cu0/Cu全介孔纳米纤维的制备方法中，所述配制前驱体纺丝液的方法为:将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和钛酸丁酯(TBOT)溶解于溶剂中，搅拌均匀，然后加入发泡剂和乙酸铜并继续搅拌得前驱体纺丝液。
[0017]前驱体纺丝液的浓度主要是通过影响溶液粘度影响纤维的形貌及直径。若前驱体纺丝液的浓度过低，在静电纺丝中，溶液粘度极低，很难维持喷丝细流的连续性，不能形成稳定的流体，而形成了喷射液滴，因此得到呈不规则块状体纳米纤维，没有纤维出现。若前驱体纺丝液的浓度过高，纤维有粗有细，分布不均匀，甚至出现粘结现象，其原因在于，聚合物分子之间相互作用开始影响聚合物链的运动，聚合物分子链相互缠结，若浓度继续增加，聚合物相互交穿，形成冻胶。高浓度的流体在针头迅速干燥以及聚合物形成冻胶引起的流体在针头流动的不稳定，难于维持喷丝细流，同时造成喷头粘连，使静电纺丝无法进行。因此，在配制前驱体纺丝液中，需要控制好各原料之间的质量关系，从而使前驱体纺丝液达到合适的浓度，进而形成很好纤维形貌，直径分布均匀的纳米纤维。在上述前驱体纺丝液的配制中TBOT提供Ti源供T12合成，PVP调控纺丝液的粘度，在后续的煅烧处理中分解挥发完全，发泡剂在煅烧处理过程中分解释放出大量的气体对纤维基体进行造孔。
[0018]作为优选，配制前驱体纺丝液的方法中所述的溶剂为无水乙醇和冰醋酸的混合液。
[0019]进一步优选，配制前驱体纺丝液的方法中所述的无水乙醇和冰醋酸的体积比为2-3:10
[0020]作为优选，配制前驱体纺丝液的方法中所述的发泡剂为偶氮二甲酸二异丙酯(DIPA)。本发明纳米纤维采用发泡辅助静电纺丝法制成全介孔结构，其中DIPA作为发泡剂加入可实现纤维基体造孔的目的。
[0021]在上述高纯度Ti02/Cu0/Cu全介孔纳米纤维的制备方法中，所述静电纺丝的方法为:将前驱体纺丝液注入针管内，并置于静电纺丝机，金属针头作电纺丝阳极，锡箔或铁丝网作接收材料的阴极，在高压下进行静电纺丝，然后从铁丝网上收集得到有机前驱体纳米纤维。
[0022]静电纺丝是一个简单、灵活的制备纤维技术，其基本原理为:在高压电场的作用下，悬于毛细管出口的前驱体纺丝液滴变形为泰勒锥。随着电场强度的进一步提高，当液滴表面由于所带电荷形成的静电排斥力超过其本身的表面张力时，在泰勒锥的顶端形成液体细流，带有电荷的液体细流在电场中流动，进一步受到拉伸作用，同时溶剂蒸发(或熔体冷却)，成为纤维并沉积在接收装置上，形成有机前驱体纤维材料。在静电纺丝过程中，影响纤维性能的电纺参数主要有:前驱体纺丝液的浓度、纺丝电压、阳极与阴极之间的距离和溶液流速等。
[0023]作为优选，静电纺丝中前驱体纺丝液注入针管内的注射速度为0.8-1.2ml/ho
[0024]作为优选，静电纺丝时的条件为:所述阳极与阴极之间的距离为18cm-22cm，所述高压为18kV-22kV。随着阳极与阴极之间接收距离的变化，纳米纤维的形态也发生了变化，在不考虑其他因素的情况下，接收距离过小会产生“念珠状”纤维紧贴在阴极，进而影响纳米纤维的性质。电压小于ISkV时，大部分前驱体纺丝液滴落在收集的铁丝网上，静电纺丝不能进行；当电压高于22kV时，发生强烈的电晕放电，静电纺丝则不能继续进行。前驱体纺丝液在18kV-22kV高压的静电纺丝中，纤维平均直径随着纺丝电压的增大而增大。
[0025]作为优选，静电纺丝中所述从锡箔或铁丝网上收集得到有机前驱体纳米纤维还需要进行干燥处理。进一步优选，所述干燥的温度为50-70°C。
[0026]在上述高纯度Ti02/Cu0/Cu全介孔纳米纤维的制备方法中，所述高温煅烧的温度为540-560°C，保温时间为l_3h。
[0027]作为优选，为了提高纳米纤维的结晶度，步骤(2)中的煅烧处理在空气气氛下进行。
[0028]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0029]1、本发明Ti02/Cu0/Cu全介孔纳米纤维可有效地应用在光催化剂中，作光解水制氣，具有尚效性和稳定性。
[0030]2、本发明纳米纤维为具有全介孔结构的三元体系的复合纳米纤维，即Ti02/Cu0/Cu纳米纤维。
[0031]3、在制备纳米纤维中通过调控原料成份，有效调控Ti02/Cu0/Cu全介孔纳米纤维的结构。
[0032]4、本发明Ti02/Cu0/Cu全介孔纳米纤维的制备方法简单可控。
【附图说明】
[0033]图1为本发明实施例1制得的有机前驱体纳米纤维的低倍扫描电镜(SEM)图。
[0034]图2为本发明实施例1制得的纳米纤维的低倍扫描电镜(SEM)图。
[0035]图3为本发明实施例1制得的纳米纤维的高倍扫描电镜(SEM)图。
[0036]图4为本发明实施例1制得的纳米纤维的X射线衍射(XRD)图。
[0037]图5为本发明实施例1制得的纳米纤维的X射线衍射(XRD)区域放大图。
[0038]图6为本发明实