一种二氧化钛‑硫铟铜复合纳米纤维材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种二氧化钛‑硫铟铜复合纳米纤维材料及其制备方法，所述二氧化钛‑硫铟铜复合纳米纤维材料由二氧化钛纳米纤维和均匀分布在二氧化钛纳米纤维表面的硫铟铜纳米片组成，所述二氧化钛纳米纤维直径为100‑200nm。本发明专利技术提供的二氧化钛‑硫铟铜复合纳米纤维材料中的硫铟铜纳米片可以通过电子传输有效地分离光生电子和空穴，从而增强体系的光催化活性；此外，由于二氧化钛的纤维状结构和硫铟铜的片状结构，使得复合纳米纤维材料对二氧化碳分子的吸附能力大大增强，从而增强体系的光催化效率，基于二氧化钛‑硫铟铜两者的协同作用使得本发明专利技术提供的二氧化钛‑硫铟铜复合纳米纤维材料用于光催化还原二氧化碳催化活性高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光催化
，涉及一种二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料及其制备方法。
技术介绍
随着化石燃料的大量消耗，大气中的二氧化碳浓度急剧增加。二氧化碳是造成温室效应的主要气体之一，大量排放会引起全球气候变暖，同时也会造成大气圈和生物圈中碳循环的失衡。人类在面临日益严峻的能源危机的同时，也面临着温室效应和城市热岛问题。光催化还原CO2技术在减少二氧化碳排放和解决能源短缺方面具有巨大的应用潜力。借助合适的光催化材料及太阳光照，CO2可被还原成可供二次使用的甲醇、甲烷等太阳能燃料(solarfuel)。该技术具有清洁无毒、高效、节能等突出优点，为降低大气CO2含量和储存太阳能提供了新思路。TiO2物理化学性质稳定、催化活性较高、无毒、价廉，且具有抗化学和光腐蚀特性，是最有应用前途且最有可能产业化并广泛使用的光催化材料之一。TiO2作为光催化材料主要存在以下缺点：(1)TiO2光催化材料的光生电子-空穴对复合率较高，参与催化反应的光生电子与空穴较少，导致其量子效率较低；(2)TiO2光催化材料对太阳能的利用率较低，锐钛矿相TiO2的禁带宽度为3.2eV，仅能吸收利用太阳光中波长小于387nm的紫外光，而紫外光大约只占了太阳光的4％。因此，拓宽太阳光的吸收范围和抑制光生载流子的复合率，是当前TiO2光催化材料所面临和必需要解决的关键问题。金属离子或非金属掺杂、贵金属沉积、染料敏化和半导体复合是提高TiO2光催化活性的主要途径。其中，半导体复合由于其易于调控能带结构和改善光吸收而被视为最具有潜在应用价值的方法之一。金属硫化物半导体材料具有较小的带隙能，可有效吸收可见光，是目前光催化领域研究的热点。在众多的金属硫化物半导体材料中，CuInS2是一种重要的I–III–IV族三元半导体材料，拥有直接能带结构、较窄的禁带宽度(1.5eV)和较大的太阳光吸收系数，因此，将CuInS2与TiO2进行复合，理论上，通过形成异质结结构，不但可以将TiO2的光响应范围扩大到可见光区域，同时还可以通过异质结结构间载流子的传输，使得光生电子与空穴可以得到有效地分离，从而大大增强光催化活性。但实际操作中发现，采用常规方法制备TiO2-CuInS2复合材料，存在这样一些问题：TiO2与CuInS2之间结合度不够，一方面产物形貌难以控制，另外直接影响到产物的催化性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料及其制备方法，在二氧化钛纳米纤维表面均匀分布硫铟铜纳米片，二氧化钛纳米纤维与硫铟铜纳米片结合紧密，所得复合材料稳定性好，光催化还原二氧化碳活性高。本专利技术为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：提供一种二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料，所述二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料由二氧化钛纳米纤维和均匀分布在二氧化钛纳米纤维表面的硫铟铜纳米片组成，所述二氧化钛纳米纤维直径为100-200nm。按上述方案，所述硫铟铜纳米片和二氧化钛纳米纤维摩尔比为1-10：100。优选的是，所述硫铟铜纳米片和二氧化钛纳米纤维摩尔比为1-2.5：100。本专利技术还提供上述二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料的制备方法，其包括以下步骤：1)二氧化钛纳米纤维的合成：以钛酸丁酯(TBT)为钛源配制前驱体溶液，再通过静电纺丝方法得到无定型的二氧化钛纳米纤维；2)二氧化钛纳米纤维的晶化处理：将步骤1)所得无定型的二氧化钛纳米纤维煅烧得到晶化的二氧化钛纳米纤维；3)二氧化钛纳米纤维的预处理：将步骤2)所得晶化的二氧化钛纳米纤维置于浓NaOH溶液中进行水热反应，随后用去离子水清洗并置于HCl溶液中进行离子交换反应至溶液pH值接近7，最后水洗烘干，并煅烧得到预处理后的二氧化钛纳米纤维；4)二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料的制备：将铜源、铟源和硫源和步骤3)所得预处理后的二氧化钛纳米纤维置于水热反应釜中，进行水热反应在二氧化钛纳米纤维表面生长硫铟铜纳米片，其中铜源、铟源和硫源中元素摩尔比Cu:In:S＝1:1:2，硫铟铜与二氧化钛纳米纤维摩尔比为1-10:100，反应结束得到二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料。按上述方案，步骤1)所述前驱体溶液的配制方法为：将钛酸丁酯和PVP溶于乙醇和乙酸的混合溶剂中，所述钛酸丁酯、乙醇和乙酸的质量比为1:3-6:1，室温下搅拌4-10小时得到淡黄色透明溶液，其中质量比钛酸丁酯：PVP＝1:0.25-1。纺丝溶液过于黏稠，纺出来的纳米纤维毡颜色偏黄，且在纺丝过程中纺丝针头极易堵塞；纺丝溶液黏性不够，在纺丝过程中较难成丝状，不能较好地纺丝。优选的是，所述钛酸丁酯、乙醇和乙酸的质量比为1:4-5:1。按上述方案，步骤1)所述静电纺丝的工艺条件为：纺丝针头和接收板的距离保持10～20cm，电压为10～20kV，纺丝速率为1.0～2.5mL·h-1。按上述方案，步骤2)所述煅烧工艺条件为：在空气气氛下于400-600℃煅烧1-4h。优选的是，在空气气氛下于550℃煅烧2h。按上述方案，步骤3)所述浓NaOH溶液浓度为10-15M。优选的是，步骤3)所述浓NaOH溶液浓度为10M。按上述方案，步骤3)所述稀HCl溶液浓度为0.1-1M。优选的是，稀HCl溶液浓度为0.1M。按上述方案，步骤3)所述水热反应条件为：120-180℃下水热反应1-3h。优选的是，120℃下水热反应3h。按上述方案，步骤3)所述煅烧工艺条件为：在空气气氛下于350-550℃下煅烧1-4h。优选的是，在空气气氛下于350℃下煅烧2h。优选的是，步骤4)所述铜源为硝酸铜或氯化铜；所述铟源为硝酸铟或氯化铟；所述硫源为L-半胱氨酸或硫代乙酰胺。优选的是，步骤4)中硫铟铜与二氧化钛纳米纤维摩尔比为1-2.5:100。按上述方案，步骤4)所述水热反应条件为：在150-180℃下水热反应8-16h。本专利技术还提供上述二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料作为光催化剂催化还原CO2的方法：在室温、大气压条件下，以氙灯为光源，以所述二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料作为光催化剂，将空气中的CO2还原。本专利技术将二氧化钛纳米纤维进行预处理(先晶化，再置于浓NaOH溶液中水热反应，最后置于HCl溶液中反应)，使其表面粗糙度增加，表面呈弱碱性，有利于硫铟铜纳米片生长在二氧化钛纳米纤维表面，并与二氧化钛纳米纤维结合牢固，使得到的二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料稳定性良好，同时，在光催化性能过程中有利于二氧化碳分子的吸附。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术提供的二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料中的硫铟铜纳米片可以通过电子传输有效地分离光生电子和空穴，从而增强体系的光催化活性；此外，由于二氧化钛的纤维状结构和硫铟铜的片状结构，使得复合纳米纤维材料对二氧化碳分子的吸附能力大大增强，从而也增强体系的光催化效率，基于二氧化钛-硫铟铜两者的协同作用使得本专利技术提供的二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料用于光催化还原二氧化碳催化活性高，且成本低廉。2、本专利技术通过静电纺丝的方法制备得到无定型二氧化钛纳米纤维，然后通过煅烧获得晶化的二氧化钛纳米纤维，再通过水热方法、离子交换法将二氧化钛纳米纤维进行预处理，使其表面粗糙度增加，表面呈弱碱性，有利于硫铟铜纳米片生长在二氧化钛本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二氧化钛‑硫铟铜复合纳米纤维材料，其特征在于：所述二氧化钛‑硫铟铜复合纳米纤维材料由二氧化钛纳米纤维和均匀分布在二氧化钛纳米纤维表面的硫铟铜纳米片组成，所述二氧化钛纳米纤维直径为100‑200nm。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料，其特征在于：所述二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料由二氧化钛纳米纤维和均匀分布在二氧化钛纳米纤维表面的硫铟铜纳米片组成，所述二氧化钛纳米纤维直径为100-200nm。2.根据权利要求1所述的二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料，其特征在于所述硫铟铜纳米片和二氧化钛纳米纤维摩尔比为1-10：100。3.一种权利要求1或2所述的二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)二氧化钛纳米纤维的合成：以钛酸丁酯为钛源配制前驱体溶液，再通过静电纺丝方法得到无定型的二氧化钛纳米纤维；2)二氧化钛纳米纤维的晶化处理：将步骤1)所得无定型的二氧化钛纳米纤维煅烧得到晶化的二氧化钛纳米纤维；3)二氧化钛纳米纤维的预处理：将步骤2)所得晶化的二氧化钛纳米纤维置于浓NaOH溶液中进行水热反应，随后用去离子水清洗并置于HCl溶液中进行离子交换反应至溶液pH值接近7，最后水洗烘干，并煅烧得到预处理后的二氧化钛纳米纤维；4)二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料的制备：将铜源、铟源和硫源和步骤3)所得预处理后的二氧化钛纳米纤维置于水热反应釜中，进行水热反应在二氧化钛纳米纤维表面生长硫铟铜纳米片，其中铜源、铟源和硫源中元素摩尔比Cu:In:S＝1:1:2，硫铟铜与二氧化钛纳米纤维摩尔比为1-10:100，反应结束得到二氧化钛-硫铟铜复合纳米纤维材料。4.根据权利要求3所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：余家国，徐飞燕，张建军，程蓓，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42