半导体纳米粒子‑碳化植物纤维复合材料的制备制造技术

本发明专利技术提供了一种以碳化植物纤维作为载体，用浸渍煅烧法将半导体纳米颗粒(如二氧化钛等)附着于碳化植物纤维表面，合成半导体纳米粒子‑碳化植物纤维复合光催化剂的制备方法。在本发明专利技术中提供了两种简单有效的浸渍煅烧法制备复合光催化剂。两种方法中钛酸异丙酯的用量对纳米粒子的负载量和复合光催化剂活性有明显的影响，随着钛酸异丙酯用量的增加，二氧化钛的负载量增加，光催化效果增强。通过浸渍煅烧法处理过的植物纤维保持原有形貌和微结构，这不仅有利于纳米粒子的附着，而且碳化植物纤维的独特结构有利于提高催化效率。本发明专利技术所制备的复合光催剂不仅大大提高了光催化活性而且工艺简单，成本低，有广泛的应用前景和应用价值。

Semiconductor nanoparticles carbide plant fiber composites

The invention relates to a carbonization plant fiber as the carrier, by dipping calcination method to semiconductor nanoparticles (such as titanium dioxide etc.) attached to the carbon fiber surface, preparation method of synthesis of semiconductor nanoparticles carbide plant fiber composite photocatalyst. In the present invention, two simple and effective impregnation and calcination methods for preparing composite photocatalysts are provided. In the two method, the amount of isopropyl titanate has obvious influence on the loading of nanoparticles and the activity of composite photocatalyst. With the increase of the amount of isopropyl titanate, the loading of titanium dioxide increases and the photocatalytic effect increases. The morphology and microstructure of the treated plant fibers are preserved by impregnation and calcination, which is not only beneficial to the adhesion of nanoparticles, but also to the unique structure of carbonized plant fibers, which is beneficial to improve the catalytic efficiency. The composite light catalyst prepared by the invention not only greatly improves the photocatalytic activity, but also has the advantages of simple process and low cost, and has wide application prospect and application value.

【技术实现步骤摘要】
半导体纳米粒子-碳化植物纤维复合材料的制备
本专利技术涉及一种以碳化植物纤维作为载体，将半导体类纳米粒子（二氧化钛、氧化锌、氧化铜等金属氧化物，CdS、PbS、CuS等硫化物，以及其它半导体纳米粒子）附着于碳化的植物纤维表面的复合材料制备方法合成复合光催化剂以用于光催化降解环境污染物，属于光催化

技术介绍
纳米粒子是指颗粒尺度为纳米量级的超微粒子，尺度大于原子簇而小于通常的微粒，一般在1~100nm之间，处于原子簇和宏观物体交替的过渡区域。纳米粒子经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体被称为纳米材料。当粒子尺寸小至纳米数里级时，在同一粒子内存在各种缺陷(如：孪晶层、层错、位错)，还有不同的亚稳态和非晶态存在。纳米粒子表层比重大，表层原子即无长秩序又无短秩序的非晶层，而粒子内部存在结晶良好的周期排布的原子，纳米粒子的这种特殊结构使其具有特殊性质(如：表面效应、体积效应、量子尺寸效应及隧道效应等)。因纳米粒子具有较小的粒径、较大的比表面积、较高密度的表面晶格缺陷、较低的熔点等特点而具有较好的催化活性、光电转换特性和光吸收特性等优良的性能，从而引起了凝聚态物理界、化学界及材料界科学家们的极大关注。采用半导体纳米粒子多相复合光催化法治理环境污染是近年来日益受重视的新技术。纳米半导体颗粒在光催化反应领域有很大的研究前景和社会意义，但其某些性质限制了它的应用范围，使之得不到大面积推广使用。首先，半导体纳米粒子具有较大的禁带宽度，所以导致吸收可见光的能力有限，很难做到大面积推广使用。多数半导体纳米粒子(如二氧化钛、氧化锌、氧化铜等金属氧化物，CdS、PbS、CuS等硫化物)只能通过波长小于387nm的紫外线照射来激活，这占总太阳光谱的一小部分（~5%）。其次，电子－空穴对复合时间很短，仅有10-9s范围内，而电子－空穴对与污染物反应时间在10-8~10-7s范围内，所以很多电子－空穴对还未来得及反应就已经复合，影响光催化活性。另外，在光催化反应后从水溶液中回收粉状光催化剂难度大，回收成本高，在工业上并不实用。为了改善其性能，现在也有部分将纳米结构TiO2固定在具有减小的带隙和改善的污染物吸附能力的合适的载体上的实例，诸如玻璃纤维，光纤，二氧化硅，不锈钢，植物纤维，聚合物基材和沸石等载体。但是上述的这些碳材料的合成是实验室规模的，而且大多制备的是化学合成的碳化材料，制造过程也很复杂，成本高，不利于大力推广至工业生产。
技术实现思路
现有的碳材料的合成是实验室规模的，制造过程也很复杂，CNTs/TiO2复合材料的大多数合成方法需要特殊或昂贵的器件或高温工艺。在这里我们提供了两种简单有效的浸渍煅烧法来制备半导体纳米粒子-植物纤维复合材料光催化剂。以碳化植物纤维作为载体制备的复合光催化剂不仅提高了光催化性能，而且制备工艺经济便捷，原料便宜易得。经过我们的工艺碳化后的植物纤维还保留原有的形貌和微结构，这不仅有利于半导体纳米粒子的附着而且表面的微结构也有利于光催化性能的提高。这里，我们以二氧化钛-碳化植物纤维复合光催化剂为例说明材料的制备。本专利技术是通过以下实验步骤实现的：方法一：(一)植物纤维的预处理(1)将纤维需剪成2～3cm长度的纤维，以便后续洗涤浸渍完全；(2)称取一定量植物纤维加入到集热式恒温加热磁力搅拌器组成的油浴装置里，通过低温冷却液循环泵使用石油醚洗涤纤维30h；(3)将纤维取出，无水乙醇洗涤纤维三次，然后将纤维转移至恒温箱中在60℃条件下烘干；(4)在500mL烧杯中配制浓度为0.1%mol/L的HCl溶液，加入大小合适的磁转子和从恒温箱中取出的纤维，用密封膜密封，搅拌；(5)将纤维取出，用纯水洗涤纤维三次，然后将纤维转移至恒温箱中在60℃条件下烘干；(6)称取一定量的粒状NaOH，溶解于500mL的烧杯中配制成浓度为5%mol/L的碱溶液,放置到磁力搅拌器上进行搅拌24h，并用密封膜密封防止与空气中的CO2反应；(二)TiO2-碳化植物纤维光催化剂的制备(1)将预处理的纤维剪成长度为2cm左右的短纤维；(2)称取一定量的纤维到烧杯，加入无水乙醇，分别加入不同量的钛酸异丙酯，用密封薄膜密封，在磁力搅拌器上搅拌，制备不同质量比的复合光催化剂；(3)将浸渍均匀的纤维取出，转移至坩埚后在干燥箱内80℃条件下烘干；(4)将干燥好的样品放磁舟中，放置于管式炉中部进行煅烧，管式炉设定参数为：从室温20℃开始，10℃/min加热至200℃；5℃/min加热至500℃；恒温1h后自然冷却至室温即可。其中氩气通气速率为0.5L/min；方法二：(一)植物纤维的预处理同方法一(二)TiO2-碳化植物纤维光催化剂的制备(1)将预处理的纤维剪成长度为1cm左右的短纤维；(2)取纤维并添加无水乙醇和相应浓度的钛酸异丙酯到坩埚内，直接在干燥箱内80℃条件下烘干；(3)将干燥好的样品放磁舟中，放置于管式炉中部进行煅烧，管式炉设定参数为：从室温20℃开始，10℃/min加热至200℃；5℃/min加热至500℃；恒温1h后自然冷却至室温即可，其中氩气通气速率为0.5L/min。本专利技术可以通过调整钛酸异丙酯的用量来控制负载在碳化植物纤维上的二氧化钛的量，最终得到一系列不同二氧化钛负载量的TiO2-碳植物纤维复合材料。本专利技术用两种不同的浸渍方法都制备出了TiO2-碳植物纤维复合材料。本专利技术的优点在于：(1)碳植物纤维表现出非凡的吸收性能，通过碳化植物纤维吸附染料可以显着提高光催化部位附近污染物分子的浓度；(2)我们所制备的复合材料中，碳化的植物纤维还保留原有的结构和形貌，这不仅有利于二氧化钛的附着而且其表面原有的微结构也有利于光催化性能的提高；(3)制备工艺简单可控，重复性好，对于二氧化钛的负载量只需控制钛酸异丙酯的用量即可，可操作性强；(4)所制备的样品有利于回收并且可以重复使用。附图说明图1是实例1所制备的TiO2-碳化植物纤维复合光催化剂的扫描电镜图片；图2是实例2所制备的TiO2-碳化植物纤维复合光催化剂的扫描电镜图片；图3是实例3所制备的TiO2-碳化植物纤维复合光催化剂的扫描电镜图片和能谱图；图4是实例4所制备的TiO2-碳化植物纤维复合光催化剂的扫描电镜图片和透射电镜图片；图5是实例5所制备的TiO2-碳化植物纤维复合光催化剂的扫描电镜图片；图6是实例6所制备的TiO2-碳化植物纤维复合光催化剂的扫描电镜图片；图7是实例7所制备的TiO2-碳化植物纤维复合光催化剂的扫描电镜图片；图8是实例8所制备的TiO2-碳化植物纤维复合光催化剂的扫描电镜图片和透射电镜图片；图9是实例1至实例4所制备的TiO2-碳化植物纤维复合光催化剂催化污染物的降解效率。具体实施方式下面以具体实施例来对本专利技术做进一步说明，应该明白的是，下述说明仅是为了解释本专利技术，并不对其内容进行限定。实例1(一)植物纤维的预处理(1)将纤维需剪成2～3cm长度的纤维，以便后续洗涤浸渍完全；(2)称取一定量植物纤维加入到集热式恒温加热磁力搅拌器组成的油浴装置里，通过低温冷却液循环泵使用石油醚洗涤纤维30h。集热式恒温资历搅拌器设置温度在75℃；(3)将纤维取出，连接台式循环水真空泵装置用无水乙醇洗涤纤维三次，然后将纤维转移至恒温箱中在60℃条件下烘干；(4)在500本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体纳米粒子‑碳化植物纤维复合光催化剂，其制备特征在于：用浸渍煅烧法，通过控制钛酸异丙酯与乙醇的比例，制备了一系列不同TiO2负载量的半导体纳米粒子‑碳化植物纤维复合光催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种半导体纳米粒子-碳化植物纤维复合光催化剂，其制备特征在于：用浸渍煅烧法，通过控制钛酸异丙酯与乙醇的比例，制备了一系列不同TiO2负载量的半导体纳米粒子-碳化植物纤维复合光催化剂。2.制备权利如要求1所述，其特征在于所述方法包括以下步骤：(一)植物纤维的预处理(a)将纤维需剪成2～3cm长度的纤维，以便后续洗涤浸渍完全；(b)称取一定量植物纤维加入到集热式恒温加热磁力搅拌器组成的油浴装置里，通过低温冷却液循环泵使用石油醚洗涤纤维30h；(c)将纤维取出，无水乙醇洗涤纤维三次，然后将纤维转移至恒温箱中在60℃条件下烘干；(d)在500mL烧杯中配制浓度为0.1%mol/L的HCl溶液，加入大小合适的磁转子和从恒温箱中取出的纤维，用密封膜密封，搅拌；(e)将纤维取出，用纯水洗涤纤维三次，然后将纤维转移至恒温箱中在60℃条件下烘干；(f)称取一定量的粒状NaOH，溶解于500mL的烧杯中配制成浓度为5%mol/L的碱溶液,放置到磁力搅拌器上进行搅拌2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王慧，陈其凤，任保胜，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37