一种钽化物空心纳米纤维光催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钽化物空心纳米纤维光催化剂及其制备方法，该制备方法包括：制备壳、核溶液；采用同轴静电纺丝设备进行静电纺丝，之后将复合纤维进行干燥，得到干燥后复合纤维；将所述干燥后的复合纤维进行煅烧，得到Ta2O5空心纤维；将所述Ta2O5空心纤维进行高温氮化，得到Ta3N5或TaON空心纳米纤维。本发明专利技术操作简单，可以快速制备具有光催化活性高、大的比表面积和易回收特征的空心纳米纤维光催化剂。

【技术实现步骤摘要】
一种钽化物空心纳米纤维光催化剂及其制备方法
本专利技术属于半导体光催化剂领域，特别涉及一种钽化物空心纳米纤维光催化剂及其制备方法。
技术介绍
由于全球日益加重的环境污染与能源危机，寻求可持续的清洁能源和高效的污染治理方式成为世界科研工作者竞相研究的重点。光催化是利用太阳能的一种新技术。光催化技术已经在太阳能转化、环境治理、杀菌消毒、表面防雾等领域具有极为重要的应用。光催化技术的核心问题是光催化剂的设计与合成。目前效果较好、应用广泛的光催化剂主要是能带隙较大的半导体，如TiO2和ZnO等，遗憾的是，它们只能利用太阳能中的紫外线部分，而紫外线仅占太阳能总能量的4％，对太阳光的利用率极低。然而，可见光占太阳光中高达43％的能量。因此，开发高效、可见光响应的光催化剂成为必然趋势。同时，目前开发的半导体纳米颗粒光催化剂，虽然具有较高的光催化活性，但是其难以回收，不但浪费了催化剂，还会二次污染环境。管状结构纳米材料因其独特的物理化学性能，在催化、光电转化和电容器等领域展现出良好应用前景，引起了科研工作者的广泛关注。目前，制备纳米管的方法主要包括模板法、水热法等。但是上述方法受到工艺复杂、成本高等问题影响，一定程度上限制了其应用。静电纺丝是一种成本低廉、操作简单并且可用于大规模制备纤维材料的技术，因而，静电纺丝技术在制备半导体纤维光催化剂方面具有广阔的应用前景，开始受到全世界科学家的高度重视。在众多的半导体光催化剂中，TaON和Ta3N5具有较宽的可见光吸收光谱，TaON可以利用波长达500nm的太阳光，Ta3N5可以利用波长达600nm的太阳光。目前，科研工作者已经开发出纳米尺寸的TaON和Ta3N5(纳米颗粒、花状超分子结构、空心球等)光催化剂以及固定膜TaON和Ta3N5，但是它们都受到光催化活性低、回收困难和制备工艺复杂的限制。Tsang等以聚苯乙烯小球为模板制备出多孔的TaON膜(M.Y.Tsang,et.al,Adv.Mater.2012,24,3406.)，但是该模板法制备过程相对复杂，成本高，因此限制了其大规模应用。Li等采用静电纺丝法制备出Ta3N5纳米纤维光催化剂(S.J.Li,et.al,Scientificreport2014,4,3978)，在光催化活性和回收方面取得了一定的效果，但是其比表面积不大，限制了其应用。因此，开发性能更加优良的可见光光催化剂具有重大影响。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的缺陷，目的在于提供一种钽化物空心纳米纤维光催化剂的制备方法，可以显著提高催化剂的光催化活性和回收性，能够简单、快速、易规模化制备空心纳米纤维材料。本专利技术的另一目的在于提供一种由上述方法制备得到的钽化物空心纳米纤维光催化剂。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种钽化物空心纳米纤维光催化剂的制备方法，包括如下步骤：步骤一，分别制备壳溶液和核溶液；步骤二，采用同轴静电纺丝设备进行静电纺丝，所述核溶液自所述同轴静电纺丝设备的内针头喷出，所述壳溶液自所述同轴静电纺丝设备的外针头喷出，从而得到以所述核溶液为核，所述壳溶液包裹于所述核溶液外表面的复合纤维；步骤三，将所述壳溶液包裹于所述核溶液外表面的复合纤维进行干燥，得到干燥后的复合纤维；步骤四，将所述干燥后的复合纤维进行煅烧，得到Ta2O5空心纤维；步骤五，将所述Ta2O5空心纤维进行高温氮化，得到TaON或Ta3N5空心纳米纤维。在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤一中，所述壳溶液是通过以下方法制备得到的：采用溶胶-凝胶法，将无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和钽源混合搅拌，得到壳溶液。优选地，所述钽源在所述壳溶液中的重量百分比为12-18wt％(比如13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％)；所述PVP在所述壳溶液中的重量百分比为5-10wt％(比如6wt％、7wt％、8wt％、9wt％)；无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸的体积比为3-4:1:1(比如3.2:1:1、3.4:1:1、3.6:1:1、3.8:1:1)。优选地，所述PVP分子量为1300000。优选地，所述钽源为丁醇钽、乙醇钽、五氯化钽、异丙醇钽或硫酸钽。在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤一中，所述核溶液为油类物质，优选地，所述油类物质为石蜡油、重油或橄榄油。在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤二中，所述同轴静电纺丝设备的喷头由同轴的内外两个不同直径的不锈钢注射器针头组成，内针头内径为0.5-1mm(比如0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm)，内针头外径为1-2mm(比如1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm)，外针头内径大于内针头外径0.1-0.5mm(比如0.2mm、0.3mm、0.4mm)。在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤二中，所述静电纺丝的条件为：工作电压：8-20kV；工作距离：10-25cm；所述壳溶液和所述核溶液的推进速度分别为：0.2-1mL/h(比如0.3mL/h、0.5mL/h、0.6mL/h、0.7mL/h、0.8mL/h、0.9mL/h)和0.02-0.1mL/h(比如0.03mL/h、0.05mL/h、0.06mL/h、0.08mL/h、0.09mL/h)；室内温度为18-26℃(比如20℃、22℃、24℃)，相对湿度为28％-45％(比如30％、35％、40％、44％)。在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤三中，所述干燥的温度为50℃-90℃(比如55℃、60℃、65℃、70℃、80℃、85℃)，所述干燥的时间为5-10h。在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤四中，所述煅烧的温度为500-800℃(比如550℃、600℃、650℃、700℃、750℃)，优选地，煅烧的温度为600-800℃；煅烧的时间为2-24h(比如4h、10h、15h、20h、22h)，优选地，煅烧的时间为6-10h。通过高温煅烧去除干燥后复合纤维中作为核的油类物质和PVP。在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤五中，制备所述Ta3N5空心纳米纤维时所述高温氮化处理的条件为：氨气直接进入管式炉中，其中氨气流量控制为0.02～0.8L/min(比如0.05L/min、0.08L/min、0.1L/min、0.3L/min、0.5L/min、0.7L/min)，所述高温氮化的温度为700～1000℃(700℃、720℃、750℃、760℃、770℃、780℃、790℃、800℃、900℃、950℃)，优选地，所述高温氮化的温度为750-770℃；所述高温氮化的时间为5～20h(6h、10h、15h、18h)，更优选地，所述高温氮化的时间为10h。在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤五中，制备所述TaON空心纳米纤维时所述高温氮化处理具体为：将Ta2O5空心纤维置于管式炉内，以0.5-3℃(比如0.8℃、1℃、1.5℃、2℃、2.5℃)的升温速率将所述管式炉升温至800～850℃(比如810℃、820℃、830℃、840℃)，然后在800～850℃条件下进行高温氮化处理8～12h(比如9h本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钽化物空心纳米纤维光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，分别制备壳溶液和核溶液；步骤二，采用同轴静电纺丝设备进行静电纺丝，所述核溶液自所述同轴静电纺丝设备的内针头喷出，所述壳溶液自所述同轴静电纺丝设备的外针头喷出，从而得到以所述核溶液为核，所述壳溶液包裹于所述核溶液外表面的复合纤维；步骤三，将所述壳溶液包裹于所述核溶液外表面的复合纤维进行干燥，得到干燥后的复合纤维；步骤四，将所述干燥后的复合纤维进行煅烧，得到Ta2O5空心纤维；步骤五，将所述Ta2O5空心纤维进行高温氮化，得到TaON或Ta3N5空心纳米纤维。

【技术特征摘要】
1.一种钽化物空心纳米纤维光催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，分别制备壳溶液和核溶液；所述壳溶液是通过以下方法制备得到的：采用溶胶-凝胶法，将无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸、聚乙烯吡咯烷酮和钽源混合搅拌，得到壳溶液；所述核溶液为油类物质，所述油类物质为石蜡油、重油或橄榄油；步骤二，采用同轴静电纺丝设备进行静电纺丝，所述核溶液自所述同轴静电纺丝设备的内针头喷出，所述壳溶液自所述同轴静电纺丝设备的外针头喷出，从而得到以所述核溶液为核，所述壳溶液包裹于所述核溶液外表面的复合纤维；所述壳溶液和所述核溶液的推进速度分别为：0.2-1mL/h和0.02-0.1mL/h；步骤三，将所述壳溶液包裹于所述核溶液外表面的复合纤维进行干燥，得到干燥后的复合纤维；步骤四，将所述干燥后的复合纤维进行煅烧，得到Ta2O5空心纤维；步骤五，将所述Ta2O5空心纤维进行高温氮化，得到TaON或Ta3N5空心纳米纤维。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述钽源在所述壳溶液中的重量百分比为12-18wt％；所述聚乙烯吡咯烷酮在所述壳溶液中的重量百分比为5-10wt％；无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸的体积比为3-4:1:1。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为1300000。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述钽源为丁醇钽、乙醇钽、五氯化钽、异丙醇钽或硫酸钽。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述同轴静电纺丝设备的喷头由同轴的内外两个不同直径的不锈钢注射器针头组成，内针头内径为0.5-1mm，内针头外径为1-2mm，外针头内径大于内针头外径0.1-0.5mm。6.根据权利要求1所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李世杰，宋文东，胡世伟，纪丽丽，王亚宁，蔡璐，
申请(专利权)人：浙江海洋学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33