一种剑麻碳纤维光催化剂的制备方法技术

本发明专利技术涉及废水处理催化材料领域，公开了一种剑麻碳纤维光催化剂的制备方法，首先将剑麻煅烧为具有很强吸附效果的多孔碳纤维，通过溶胶凝胶法将二氧化钛纳米粒和二硫化钼量子点负载到多孔碳上，得到三元复合的多孔碳材料。光催化剂不仅降低了二氧化钛的禁带宽度，增强了电子的转移效率，提高了催化剂的可见光响应范围，改性后的二氧化钛光催化剂对波长≥460nm的可见光均有响应；本发明专利技术将天然的剑麻充分利用，实现了资源的高效利用，符合绿色的生态理念。经化学改性的剑麻碳纤维光催化剂的制备方法工艺简单、成本低，适用于工业化生产。

Preparation method of sisal fiber carbon fiber photocatalyst

The invention relates to the field of wastewater treatment by catalytic materials, and discloses a method for preparing sisal carbon fiber photocatalyst, the sisal calcined into porous carbon fiber has a strong adsorption effect, TiO2 nanoparticles and quantum dots loaded porous carbon disulfide by sol gel method. The obtained porous carbon material three yuan compound. Light catalyst not only reduces the band gap of TiO2, enhances the electron transfer efficiency, improve the visible light response, modified TiO2 photocatalyst after visible light wavelength was 460nm in response to both; the invention will make full use of natural sisal, realize the efficient use of resources, in line with the concept of ecological green. The chemical modification of sisal fiber carbon fiber photocatalyst has the advantages of simple process and low cost, and is suitable for industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种剑麻碳纤维光催化剂的制备方法
本专利技术涉及废水处理催化材料领域，尤其涉及一种剑麻碳纤维光催化剂的制备方法。
技术介绍
水污染一直是人们关注最多的环境问题，废水的品种和排放量在逐年递增，而印染废水已成为水系环境的重点污染源之一。目前已经有多种碳材料被合成制备并应用于光催化领域，包括有介孔炭、石墨烯、碳纳米管等。但考虑到光催化剂的大规模应用，以可再生的生物质为原料制备的高性能的光催化材料，不仅可以实现生物质的高附加值利用，而且有效的降低光催化剂的成本。剑麻碳纤维是剑麻纤维经高温热解后的产物。半导体光催化降解技术是一种最有可能利用自然界太阳光实现清洁去污的环境友好的技术，目前己成为人们关注较多的废水处理方法。在众多光催化用半导体材料中二氧化钛光催化剂具有低廉、无污染、抗光腐蚀等优点被誉为环境友好的污染处理材料，其环保和节能的应用前景受到广泛的关注。尽管在紫外光条件的照射下众多有机污染物可以被TiO2有效的降解为CO2和H2O，但是在可见光的照射下其利用效率非常低，而太阳光中紫外光只有3%左右，影响了TiO2的光催化降解效果。二硫化钼是一种典型的过渡金属二维层状硫化物，单层的二硫化钼由S-Mo-S原子层以共价键方式构成，层与层之间依靠较弱的范德华力结合。与具有二维层状结构的石墨烯不同，二硫化钼具有可调控的带隙结构。当块状的二硫化钼变为二硫化钼纳米片层时，二硫化钼的禁带宽度随着其层数的减小而增加。相比零带隙的石墨烯，单层二硫化钼表现出更为优异的物理化学特性，在光学器件、锂离子电池、光电催化、超级电容器等领域具有很高的应用前景，吸引了科研工作者的广泛关注。目前，关于二硫化钼的报道多停留在纳米片层范围，对于MoS2量子点的报道相对较少。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种剑麻碳纤维光催化剂的制备方法。本专利技术制备方法首先将剑麻纤维煅烧为银、铜等金属掺杂的多孔炭，通过溶胶凝胶法将二氧化钛纳米粒和二硫化钼量子点负载到多孔碳上，得到三元复合的多孔碳材料。这样的改性大大提高了二氧化钛的光响应范围，并起到了降解有机物污染物的目的。本专利技术的具体技术方案为：一种剑麻碳纤维光催化剂的制备方法，包括以下步骤：步骤1：剑麻碳纤维的制备：用NaOH水溶液将剑麻纤维浸泡，然后用水冲洗至中性，再用磷酸氢二铵水溶液浸渍，捞出、晾干；将预处理干燥后的剑麻纤维放入马弗炉中煅烧，冷却后得到多孔的剑麻碳纤维。步骤2：将步骤1中的剑麻碳纤维放在(NH4)2S2O8溶液中超声，过滤，用去离子水清洗后浸泡在95-105g/L的NaOH溶液4-6min，用去离子水洗掉表面未反应的(NH4)2S2O8。步骤3：二硫化钼量子点的制备：将(NH4)2MoS4溶解在水中，超声10-20min，加入N2H4作为还原剂，将混合物转移至聚四氟乙烯反应釜中进行水热反应，反应结束后冷却至室温，采用0.22um的微孔滤膜过滤，将得到的滤液在水中透析，最后蒸发溶剂，干燥后获得的固体极为二硫化钼量子点。步骤4：将剑麻碳纤维与二硫化钼量子点分散在去离子水中，超声25-35min，得到剑麻碳纤维/二硫化钼的悬浮液。步骤5：三元复合物材料的制备：先将乙醇与钛酸四丁酯混合，搅拌10-20min，形成溶液A；再将剑麻碳纤维/二硫化钼量子点溶液与冰醋酸混合，形成的溶液B；在搅拌状态下，按体积比20-30:25-35将溶液B缓慢滴加到溶液A中，然后放入60-80℃水浴中持续搅拌50-70min，制得灰褐色凝胶，将得到的凝胶放入60-80℃烘箱中烘干后，再加热到125-135℃持续10-15min，得到灰褐色固体；将其研磨，得到剑麻碳纤维/二氧化钛/二硫化钼纳米复合物。本专利技术制备方法首先将剑麻纤维煅烧为银、铜等金属掺杂的多孔炭，通过溶胶凝胶法将二氧化钛纳米粒和二硫化钼量子点负载到多孔碳上，得到三元复合的多孔碳材料。将二硫化钼量子点引入，使得TiO2在可见光范围内可以有效的催化降解污水里的有机污染物。而剑麻碳纤维可以很好的提高材料的电导率及其电化学性能，使其成为良好的电子受体，在一定程度上弥补了二氧化钛的电子-空穴对易复合的缺陷。这样的改性大大提高了二氧化钛的光响应范围，并起到了降解有机物污染物的目的。作为优选，步骤1中，NaOH水溶液的质量浓度为5wt%，浸泡时间20-28小时，磷酸氢二铵水溶液的质量浓度为5%，浸渍时间为20-28小时。采用NaOH水溶液浸泡是为了除去表面的果胶，磷酸氢二铵水溶液浸渍的目的是为了增加碳纤维的孔数。作为优选，步骤1中，煅烧为分步煅烧：先升温到200-300℃，保持25-35min，再升温到800-900℃，保持2-3h，速率为5-6℃/min，通惰性气体。分步煅烧的目的是获得更高的孔隙率。剑麻碳纤维的多孔性不仅提供了更大的比表面积，更是为了二氧化钛纳米粒和二硫化钼量子点的嵌入提供了空间，有效得提高了污水处理能力。作为优选，步骤2中，(NH4)2S2O8溶液的浓度为100-200g/L，超声时间为1-2h。通过将剑麻煅烧后形成的多孔碳纤维浸泡在具有氧化作用的(NH4)2S2O8溶液中进行超声处理，可以使得多孔碳表面被氧化产生羟基、酯基、和羧基，这些反应性官能团的存在对下一步与二氧化钛纳米粒的键接至关重要。化学键的存在提高了电子转移速率，有效得提高了电子-空穴对的分离效率。作为优选，步骤3中，水热反应温度为150-200℃，反应时间为6-9h；滤液透析时间为3-5天。二硫化钼量子点较二硫化钼片而言，二硫化钼量子点不但具有更大的比表面积，显著的边缘效应，同时具有量子点独特的光学性质，使其在本专利
更具应用潜力。作为优选，步骤3中，(NH4)2MoS4与水的质量比为1:95-105。作为优选，步骤4中，剑麻碳纤维、二硫化钼量子点、去离子水的质量比为1:0.5:（20-40）。作为优选，步骤5中，溶液A中乙醇与钛酸四丁酯的体积比为10:1；溶液B中剑麻碳纤维/二硫化钼量子点溶液与冰醋酸混合液的体积比为10:1。作为优选，步骤5中，溶液B的滴加速率为1-1.5mL/秒。与现有技术对比，本专利技术的有益效果是：1、剑麻碳纤维是剑麻纤维经高温热解后的产物。剑麻碳纤维中含有钾、硅、钙、镁、铜、银等丰富的元素，可以很好的提高光催化的效果。经过活化之后的剑麻炭纤维，其比表面积可达1200m2/g以上，远远大于一般的椰壳、竹炭以及其它常用基质的活性碳，因而具有优异的吸附和催化性能，对水质中多种有害染料、重金属离子和病菌具有吸附、降解作用。故剑麻碳本身对光催化有积极的作用。本专利技术利用其在煅烧后产生的丰富的孔结构及能有效的传输电子，将剑麻碳纤维用于光催化剂。剑麻碳纤维做光催化剂，不但能将生物质材料回收利用，由于其可观的吸附性能和电子传输性能，还能高效的降解有机污染物。2、通过将剑麻纤维煅烧后形成的多孔碳浸泡在具有氧化作用的(NH4)2S2O8溶液中进行超声处理，可以使得多孔碳表面被氧化产生羟基、酯基、和羧基，这些反应性官能团的存在对下一步与二氧化钛纳米粒的键接至关重要。3、本专利技术将具有大比表面积的二硫化钼量子点引入，可以使得复合后TiO2在可见光范围内可以有效的催化降解污水里的有机污染物。4、本专利技术最大的特点在于，设计及制备的剑麻碳纤维光催化材料具有光热稳定性好、比表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种剑麻碳纤维光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：剑麻碳纤维的制备：用NaOH水溶液将剑麻纤维浸泡，然后用水冲洗至中性，再用磷酸氢二铵水溶液浸渍，捞出、晾干；将预处理干燥后的剑麻纤维放入马弗炉中煅烧，冷却后得到多孔的剑麻碳纤维；步骤2：将步骤1中的剑麻碳纤维放在(NH4)2S2O8溶液中超声，过滤，用去离子水清洗后浸泡在95‑105g/L的NaOH溶液4‑6min，用去离子水洗掉表面未反应的(NH4)2S2O8；步骤3：二硫化钼量子点的制备：将 (NH4)2MoS4溶解在水中，超声10‑20min，加入N2H4作为还原剂，将混合物转移至聚四氟乙烯反应釜中进行水热反应，反应结束后冷却至室温，采用0.22um的微孔滤膜过滤，将得到的滤液在水中透析，最后蒸发溶剂，干燥后获得的固体极为二硫化钼量子点；步骤4：将剑麻碳纤维与二硫化钼量子点分散在去离子水中，超声25‑35min，得到剑麻碳纤维/二硫化钼的悬浮液；步骤5：三元复合物材料的制备：先将乙醇与钛酸四丁酯混合，搅拌10‑20min，形成溶液A；再将剑麻碳纤维/二硫化钼量子点溶液与冰醋酸混合，形成的溶液B；在搅拌状态下，按体积比20‑30:25‑35将溶液B缓慢滴加到溶液A中，然后放入60‑80℃水浴中持续搅拌50‑70min，制得灰褐色凝胶，将得到的凝胶放入60‑80℃烘箱中烘干后，再加热到125‑135℃持续10‑15min，得到灰褐色固体；将其研磨，得到剑麻碳纤维/二氧化钛/二硫化钼纳米复合物。...

【技术特征摘要】
1.一种剑麻碳纤维光催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：剑麻碳纤维的制备：用NaOH水溶液将剑麻纤维浸泡，然后用水冲洗至中性，再用磷酸氢二铵水溶液浸渍，捞出、晾干；将预处理干燥后的剑麻纤维放入马弗炉中煅烧，冷却后得到多孔的剑麻碳纤维；步骤2：将步骤1中的剑麻碳纤维放在(NH4)2S2O8溶液中超声，过滤，用去离子水清洗后浸泡在95-105g/L的NaOH溶液4-6min，用去离子水洗掉表面未反应的(NH4)2S2O8；步骤3：二硫化钼量子点的制备：将(NH4)2MoS4溶解在水中，超声10-20min，加入N2H4作为还原剂，将混合物转移至聚四氟乙烯反应釜中进行水热反应，反应结束后冷却至室温，采用0.22um的微孔滤膜过滤，将得到的滤液在水中透析，最后蒸发溶剂，干燥后获得的固体极为二硫化钼量子点；步骤4：将剑麻碳纤维与二硫化钼量子点分散在去离子水中，超声25-35min，得到剑麻碳纤维/二硫化钼的悬浮液；步骤5：三元复合物材料的制备：先将乙醇与钛酸四丁酯混合，搅拌10-20min，形成溶液A；再将剑麻碳纤维/二硫化钼量子点溶液与冰醋酸混合，形成的溶液B；在搅拌状态下，按体积比20-30:25-35将溶液B缓慢滴加到溶液A中，然后放入60-80℃水浴中持续搅拌50-70min，制得灰褐色凝胶，将得到的凝胶放入60-80℃烘箱中烘干后，再加热到125-135℃持续10-15min，得到灰褐色固体；将其研磨，得到剑麻碳纤维/二氧化钛/二硫化钼纳米复合物。2.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡智文，蒙均晶，万军民，王秉，彭志勤，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33