一维碳纳米纤维@TiO2的核壳结构的光催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了一维碳纳米纤维@TiO2的核壳结构的光催化剂的制备方法，首先利用静电纺丝方法制备碳纳米纤维，而后对碳纳米纤维酸处理，再利用水热法合成碳纳米纤维@TiO2核壳结构，最后进行清洗处理，将利用水热法合成碳纳米纤维@TiO2核壳结构中所得反应物用去离子水充分清洗后，在烘箱中干燥烘干，即制得一维碳纳米纤维@TiO2的核壳结构的光催化剂。本发明专利技术利用静电纺丝方法和水热方法制备了一维碳纳米纤维@TiO2的核壳结构的光催化剂，操作简单，重复性可靠，光催化剂的光催化活性较高，适于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种材料的制备方法，尤其涉及一种一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂的制备方法。
技术介绍
随着工业化的发展和人口迅速增长，人类对化石燃料的依赖日益严重。然而化石燃料的储存量非常有限且不可再生，且在化石燃料燃烧的过程中释放大量的CO2引起温室效应。半导体光催化技术利用太阳能将CO2光催化还原成可再生的碳氢燃料（甲烷、甲醇等），被认为是解决能源危机和环境污染的由效途径之一。自从Inoue等人报道了半导体材料在水溶液中光催化还原CO2的研究以来，各种半导体材料，如TiO2、ZnO、ZnGa2O4、WO3等，已被广泛研究。在这些半导体中，TiO2由于成本廉价，无毒，长期的稳定性，被认为是最具有发展前景的光催化剂之一。但是TiO2光催化剂在制备过程中容团聚使其具有较小的比表面积导致其光生载流子电荷复合率较高，此外由于TiO2具有较大的带隙只能吸收波长在紫外区的太阳光，导致TiO2光催化剂的光催化效率通常较低。鉴于此，大量研究工作试图通过增强TiO2的光吸收能力和减少TiO2光生载流子的复合率提高其光催化活性。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种简便易行、低成本的一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂的制备方法。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术手段是：一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂的制备方法，首先利用静电纺丝方法制备碳纳米纤维，而后对碳纳米纤维酸处理，再利用水热法合成碳纳米纤维TiO2核壳结构，最后进行清洗处理，将利用水热法合成碳纳米纤维TiO2核壳结构中所得反应物用去离子水充分清洗后，在烘箱中干燥烘干，即制得一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂。进一步的，所述烘箱中干燥烘干的温度为60～80℃，时间为6～8h。进一步的，所述静电纺丝方法制备碳纳米纤维是指：制备PAN的DFM溶液作为纺丝溶液，利用平板作为接收极，采用垂直接收的方式进行静电纺丝，得到柔性PAN原丝，然后通过马弗炉低温预氧化及管式炉高温碳化处理，得到碳纳米纤维。更进一步的，所述纺丝溶液的质量比为10wt%的PAN的DFM溶液，制备过程中必须边搅拌边加热，加热温度为60～80℃，加热时间2～3h。更进一步的，所述静电纺丝过程中，其中高压电压设定为14～18kV，喷丝针头的内径为0.4～0.8mm，接收板距离纺丝针头距离为12～17cm，纺丝液的出料速度为0.4～0.8mL/h，纺丝腔体的相对空气湿度控制为30%～40%；在24～28℃下连续纺丝9～11h得到白色的PAN原丝，将PAN原丝在马弗炉中250～350oC下预氧化稳定2～3h，马弗炉的升温速率为2oC/min，最后将预氧化后纤维放入管式炉中并在N2保护下750～850oC碳化2～3h，管式炉的升温速率设定为5oC/min，碳化后得到碳纳米纤维。进一步的，所述碳纳米纤维酸处理是指：将静电纺丝方法制备的碳纳米纤维添加至酸溶液中，加热进行酸处理，然后用去离子水清洗碳纳米纤维表面残留的酸，并在烘箱中烘干。更进一步的，所述酸为4M硝酸溶液，在油浴锅中80～100℃加热回流6～8h进行酸处理，而后用去离子水清洗碳纳米纤维表面至pH=7，清洗用去离子水离心洗涤。进一步的，所述利用水热法合成碳纳米纤维TiO2核壳结构是指：将碳纳米纤维经过酸处理后，超声分散到去离子水中，然后添加半胱氨酸、硫酸钛、尿素，继续超声分散，最后将混合溶液转移到水热反应釜中进行水热反应。更进一步的，所述添加半胱氨酸：硫酸钛：尿素的摩尔比为2:1:4。更进一步的，所述水热反应釜中水热反应温度设定为160～200℃之间，反应时间设定为10～14h。本专利技术的有益效果是：利用静电纺丝方法和水热方法制备了一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂，操作简单，重复性可靠，光催化剂的光催化活性较高，适于工业化生产。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的阐述。图1为本专利技术实施例1所制备的酸处理后的碳纤维扫描电镜照片；图2为本专利技术实施例1所制备的一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂的扫描电镜照片；图3为本专利技术实施例1所制备的一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂的透射电镜照片和高分辨透射电镜照片；图4为本专利技术对比例1所制备的TiO2微球光催化剂的扫描电镜照片；图5为本专利技术实施例1和对比例1所制备的成品的紫外-可见漫反射吸收光谱对比图；图6为本专利技术实施例1所制备的碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂光照前和光照1h后色谱原始图谱；图7为本专利技术实施例1所制备的碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂和对比例1所制备的TiO2微球光催化剂的光催化CO2还原活性对比图。具体实施方式实施例1一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂的制备方法步骤如下：a）利用静电纺丝方法碳纳米纤维：将1gPAN添加到10mLDMF溶液中并在80℃温度下强烈搅拌2h，配制纺丝原溶液，利用平板作为接收极，纺丝高压电压设定为15kV，纺丝针头的内径为0.6mm，喷丝针头与接收板的距离为15cm，纺丝液的供料速度为0.5mL/h，纺丝腔体的相对空气湿度控制为30%，在26℃下连续纺10h得到白色的PAN原丝。然后把PAN纤维在马弗炉中300℃下预氧化稳定2h，马弗炉的升温速率为2℃/min，最后将预氧化后棕色纤维放入管式炉中并在N2保护下800℃碳化2h，管式炉的升温速率设定为5℃/min，碳化后得到碳纳米纤维；b）碳纳米纤维酸处理：将步骤a）所得的碳纳米纤维均匀分散到4M硝酸溶液中，然后在油浴锅中80oC加热回流6h进行酸处理，再用去离子水清洗碳纳米纤维表面残留的硝酸，并用pH试纸检测直至其呈中性，最后将酸处理过的碳纳米纤维在80oC烘箱中干燥烘干6h；c）利用水热方法合成碳纳米纤维TiO2核壳结构：将步骤b）所得的酸处理过的20mg碳纳米纤维分散到30mL去离子水中，再用波超声波超声分散30min使酸化的碳纳米纤维均匀分散，然后添加1mmol硫酸钛、2mmol半胱氨酸、4mmol尿素继续超声分散10min，然后将混合溶液转移到50mL水热反应釜中进行水热反应，水热反应温度设定为180oC，反应时间设定为12h；d）清洗处理：将步骤c）所得反应物用去离子水洗涤6次，充分清洗残留的杂质，然后将其在烘箱80oC中干燥烘干6h，即得到一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂。由图1可知酸处理后的碳纤维直径比较均匀，大约300nm左右，且碳纤维的表面比较光滑；图2表明水热后在碳纤维的表面均匀生长了一层TiO2晶粒，形成了一维碳纳米纤维TiO2核壳结构，而且碳纤维被TiO2晶粒包覆的不是很紧密，可以看到暴露碳纤维的空隙，这很大程度上阻止了TiO2晶粒的团聚，增加了其比表面积，非常有利于光催化反应的进行。由图3可以清晰的发现在碳纤维的边缘被一些小的晶粒包覆，并通过插图中高分辨放大的透射电镜的晶格条纹，可以判断出这些晶粒属于锐钛矿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一维碳纳米纤维@TiO2的核壳结构的光催化剂的制备方法，首先利用静电纺丝方法制备碳纳米纤维，而后对碳纳米纤维酸处理，再利用水热法合成碳纳米纤维@TiO2核壳结构，最后进行清洗处理，将利用水热法合成碳纳米纤维@TiO2核壳结构中所得反应物用去离子水充分清洗后，在烘箱中干燥烘干，即制得一维碳纳米纤维@TiO2的核壳结构的光催化剂。

【技术特征摘要】
1.一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂的制备方法，首先利用静电纺丝方法制备碳纳米纤维，而后对碳纳米纤维酸处理，再利用水热法合成碳纳米纤维TiO2核壳结构，最后进行清洗处理，将利用水热法合成碳纳米纤维TiO2核壳结构中所得反应物用去离子水充分清洗后，在烘箱中干燥烘干，即制得一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂。
2.根据权利要求1所述的一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂的制备方法，其特征在于：所述烘箱中干燥烘干的温度为60～80℃，时间为6～8h。
3.根据权利要求1所述的一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝方法制备碳纳米纤维是指：制备PAN的DFM溶液作为纺丝溶液，利用平板作为接收极，采用垂直接收的方式进行静电纺丝，得到柔性PAN原丝，然后通过马弗炉低温预氧化及管式炉高温碳化处理，得到碳纳米纤维。
4.根据权利要求3所述的一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂的制备方法，其特征在于：所述纺丝溶液的质量比为10wt%的PAN的DFM溶液，制备过程中必须边搅拌边加热，加热温度为60～80℃，加热时间2～3h。
5.根据权利要求4所述的一维碳纳米纤维TiO2的核壳结构的光催化剂的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝过程中，其中高压电压设定为14～18kV，喷丝针头的内径为0.4～0.8mm，接收板距离纺丝针头距离为12～17cm，纺丝液的出料速度为0.4～0.8mL/h，纺丝腔体的相对空气湿度控制为30%～40%；在24～28℃下连续纺丝9～11h得到白色的P...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金锋，耿磊，李宏，
申请(专利权)人：淮北师范大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34