一种NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜光催化材料制造技术

本发明专利技术公开了一种NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜光催化材料及其制备方法，属于光催化材料技术领域。本发明专利技术采用静电纺丝技术，以乙酸镍、钛酸四丁脂分别作为镍、钛源，将乙酸镍溶于乙酸中得到溶液A，将聚乙烯吡咯烷酮溶于乙醇获得溶液B，将溶液A加入溶液B搅拌均匀后加入钛酸四丁酯，继续搅拌得到前驱体溶液。采用静电纺丝工艺在特定的工作电压、接受距离、泵推进速度下制备得到具有NiO/NiTiO3复合纤维膜前驱体，对纤维膜前驱体热处理后得到NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜光催化材料。该产品具备多孔、自支撑性等结构特征，光催化性能优异且环境友好，且更易实现与降解溶液的分离，有重要的实际应用潜力。

A Photocatalytic Material of NiO/NiTi3 Composite Nanofiber Membrane

The invention discloses a NiO/NiTi3 composite nanofiber membrane photocatalytic material and a preparation method, belonging to the technical field of photocatalytic materials. The invention adopts electrospinning technology, using nickel acetate and tetrabutyl titanate as nickel and titanium sources, dissolving nickel acetate in acetic acid to obtain solution A, dissolving polyvinylpyrrolidone in ethanol to obtain solution B, adding solution A into solution B and stirring evenly, adding tetrabutyl titanate to continue stirring to obtain precursor solution. The precursor of NiO/NiTi3 composite fiber membrane was prepared by electrospinning under specific working voltage, receiving distance and pump propulsion speed. The photocatalytic material of NiO/NiTi3 composite nanofiber membrane was obtained after heat treatment of the precursor of the fiber membrane. The product has porous, self-supporting and other structural characteristics, excellent photocatalytic performance and environmental friendliness, and is easier to achieve separation from degradation solution, so it has important practical application potential.

【技术实现步骤摘要】
一种NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜光催化材料
本专利技术涉及光催化材料
，具体涉及一种NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜光催化材料及其制备方法。
技术介绍
水是人类赖以生存的物质基础，但是近年来随着工业的发展，水污染等环境问题日益严重，尤其是水中难降解的有机污染物，它对人类和自然界造成了很大的影响。半导体光催化反应是指在一定的光照条件下，光催化剂被激发产生光生空穴-电子对，产生强氧化性自由基，从而使有机物降解最终变成无环境危害的有机小分子或无机小分子物质的化学反应过程，在废水净化和环境治理等方面具有巨大潜力。在光催化领域，目前最具实用价值的光催化材料是TiO2，其禁带宽度为3.2eV，因此在光催化反应中只能利用紫外光，但是紫外光只占太阳光能量的4％左右，因此其在自然太阳光下的光催化反应效率和量子产率并不高，因此开发具有全光谱或可见光响应的高量子产率的光催化剂是该领域研究者一直努力的方向。近年来，研究者陆续发现了新型的催化剂，如氧化物(ZnO、SnO2)、硫化物(如CdS、ZnIn2S4、CdxZn1-xS)和氮(氧)化物(如Ta3N5、TaON)等，但是光催化性能仍有待提升。针对光催化反应的原理和过程，要想要提高光催化剂的性能就必须对光催化材料进行改性，主要方法如下：第一是调整带隙宽度，扩展光催化剂的可见光吸收和响应区域；第二是调整价带和导带的位置，使得电位更加的匹配；第三是促进电子空穴的分离，抑制电子与空穴的复合，第四是通过制备形成复合异质结来改进光催化体系。钛酸镍(NiTiO3)是一种典型的钙钛矿结构，钛原子和镍原子间隔地排列在八面体配位的阳离子层，属n型半导体。对粉体的中子衍射研究和敏感性测量表明，钛酸镍具有反铁磁性的结构，其禁带宽度为2.18eV，研究表明制备得到的NiTiO3纳米结构往往具有良好的光催化性能。氧化镍(NiO)为p型半导体，其禁带宽度为3.5eV，其价带和导带的位置分别位于NiTiO3的价带下方和导带上方。结合其带隙特征，本项目提出将NiTiO3和NiO进行复合制备得到NiO/NiTiO3复合光催化剂，利用二者的半导体特性形成p-n异质结构，通过协同作用拓展宽带隙半导体的响应波长以及内建电场抑制光生载流子的快速复合提高光生空穴和电子的利用效率等作用机制，获得较好的光催化效果。静电纺丝技术是利用高压静电场对前驱体溶液的击穿作用来制备一维纳微米纤维材料的方法，在实际中纤维体在接收端无序堆积时就可直接获得具有多孔形貌的纤维膜结构，若在后期的处理过程中一直保持独立膜结构不变就能得到稳定独立存在的半导体复合纤维膜材料，在光催化剂的实际应用中具有重要的理论意义和实际应用价值。因此本专利技术创造的采用静电纺丝工艺结合原位热处理一步法制备得到NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜材料，通过原料比例调控和工艺控制调节其性能，并利用两种半导体氧化物之间形成异质来获得更加优异的光催化性能，将有潜力成为一种新型的光催化材料，也具有重要的应用价值和技术创新意义。
技术实现思路
本专利技术一种NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜光催化材料的目的在于提供一种高效率、易分离的光催化材料，用以解决现有水污染等环境问题，提高光催化效率，实现光催化材料易分离可重复利用的目标。为实现上述目的，本专利技术提出了一种物相组成为原位反应得到的NiO和NiTiO3的复合物，其形貌为由NiO/NiTiO3纳米纤维形成的多孔膜复合纳米纤维膜的高性能光催化材料及其制备方法，具有优异的光催化性能且环境友好，能够满足降解污水的条件，且利于回收处理，具有广阔的应用前景。本产品的物相组成为原位反应得到的NiO和NiTiO3的复合物，其中NiO和NiTiO3的摩尔比为0.01:1至0.4:1；其形貌为由NiO/NiTiO3纳米纤维形成的多孔膜，其中纳米纤维直径为100-400nm。本专利技术所述的一种NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜光催化材料的制备方法，其特征在于：(1)以钛酸四丁酯(C16H36O4Ti，纯度：99.5％)、乙酸镍(Ni(CH3COO)2，纯度99.5％)分别作为钛、镍源，按NiO和NiTiO3的摩尔比为0.01:1至0.4:1进行配料，，将乙酸镍溶于一定量的乙酸中得到溶液A，以乙醇为溶剂并加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)(1％-10％)调节其粘度以获得符合纺丝要求的溶液B，将溶液A加入溶液B磁力搅拌均匀后加入钛酸四丁酯，继续搅拌得到前驱体溶液。(2)取适量的前驱体溶胶于传统单喷丝头静电纺丝装置的玻璃储液器中，电压(10kv-20kv)、接收距离(10cm-20cm)、纺丝溶液推进速率为(0.4mL/h-2.0mL/h)下进行纺丝，得到具有纳米纤维状的NiO/NiTiO3复合纤维膜前驱体。(3)将NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜前驱体放置始温度为室温的马弗炉中，在温度为(400℃-1200℃)热处理时间(0.5h-4.0h)，升温速率和降温速率(1℃/min-10℃/min)进行热处理得到形态结构稳定的NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜。本专利技术具有如下优点：(1)具有优异的光催化性能；(2)易与处理后液体的分离；(3)再利用过程仍保持稳定的光催化性能。附图说明图1为实施例1提供的工艺制备的NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜的SEM图。由图可以看出，获得纳米纤维膜由连续均匀纳米纤维组成。图2为实施例1提供的工艺制备的NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜的XRD图谱，对比标准卡片数据表明样品的物相为NiO和NiTiO3。具体实施方式以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。实施例1(1)以乙酸镍作为镍源,将1.10mmol乙酸镍溶于2ml乙酸溶解得到溶液A，以10ml乙醇为溶剂并加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)0.6g调节其粘度以获得符合纺丝要求的溶液B，将溶液A加入溶液B磁力搅拌均匀后加入钛酸四丁酯1.00mmol，继续搅拌得到前驱体溶液。(2)取适量的前驱体溶胶于传统单喷丝头静电纺丝装置的玻璃储液器中，电压17.5kv、接收距离20cm、纺丝溶液推进速率为1mL/h下进行纺丝，得到具有纳米纤维状的NiO/NiTiO3复合纤维膜前驱体。(3)将NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜前驱体放置始温度为室温的马弗炉中，室温为20℃，1℃/min升温速率到400℃保温0.5h烧掉纤维膜中的有机成分，再以1℃/min升温速率到800℃保温0.5h进行物相反应，再以1℃/min降温速率降到室温，得到形态结构稳定的NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜。(4)以5mg/L的罗丹明B作为有机污染物，采用一套光催化剂和污染物溶液分离并可以循环不间断进行光催化降解反应的设备。设备反应器分为两部分，上下两部分以磨砂口连接，确保罗丹明B溶液不溢出。取NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜样品30mg放置在反应器中间固定，确保不与污染物溶液混合，避免了反应后需将催化剂与溶液分离的过程；光源采用平行光光源，能够提供稳定的光子能量，使光催化剂产生光生电子和空穴；右侧加一循环水泵，通过流量控制阀控制污染物溶液循环速率，使罗丹明B溶液与反应器中间的催化剂反应。对设备先进行暗处理30min，打开全光谱光源，60min后罗丹明B溶液全部降解。实施例2(1)以乙酸镍作为镍源,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜光催化材料，其特征在于：其物相组成为原位反应得到的NiO和NiTiO3的复合物，其中NiO和NiTiO3的摩尔比范围为0.01:1至0.4:1；其形貌为由NiO/NiTiO3纳米纤维形成的多孔膜，其中纳米纤维直径为100‑400nm。

【技术特征摘要】
1.一种NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜光催化材料，其特征在于：其物相组成为原位反应得到的NiO和NiTiO3的复合物，其中NiO和NiTiO3的摩尔比范围为0.01:1至0.4:1；其形貌为由NiO/NiTiO3纳米纤维形成的多孔膜，其中纳米纤维直径为100-400nm。2.一种权利要求1所述的NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜光催化材料制备方法，主要包括镍源、钛源、配置前驱体溶液、静电纺丝成NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜前驱体、高温热处理得到NiO/NiTiO3复合纳米纤维膜光催化材料等步骤，其特征在于：(1)以钛酸四丁酯和乙酸镍分别作为钛源、镍源，按NiO和NiTiO3的摩尔比为0.01:1至0.4:1进行配料，将乙酸镍溶于一定量的乙酸中得到溶液A，将聚乙烯吡咯烷酮(1％-10％)溶入到乙醇溶剂得到溶液B，然后将溶液A加入溶液B搅拌...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨博智，白雪峰，闵鑫，王佳璇，杜朋朋，房明浩，黄朝晖，刘艳改，吴小文，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11