一种具有分子识别效应的复合碳纤维制造技术

本发明专利技术公开了一种具有分子识别效应的复合碳纤维，属于复合功能材料技术领域。本发明专利技术利用静电纺丝方法制备了具有分子印迹的TiO2‑CeO2复合碳纤维，该TiO2‑CeO2复合碳纤维能够选择性且高效地降解纺织产业用偶氮染料(如考马斯亮蓝、甲基橙、甲基红)、食品工业生产中产生的毒素(如黄曲霉素)、环境毒素(双酚A)等有害物质。本发明专利技术的复合碳纳米纤维具有制备简单，降解效率高、选择性强、高耐腐蚀性的优点，可以替代目前光降解催化剂的生产，并可以广泛应用于各行业中有毒、有害物质的光降解。

【技术实现步骤摘要】
一种具有分子识别效应的复合碳纤维
本专利技术涉及一种具有分子识别效应的复合碳纤维，属于复合功能材料

技术介绍
光催化与光降解技术可以在特定的光源辐射下促使化学反应加速进行，使难以降解的有机物改变其有害性质。这种技术有效的解决了传统化学生物方法治理困难，交叉污染等弊端，此技术日益受到了人们的重视。1976年由Cary报道TiO2在紫外光激发下可以实现光降解，在水体系下降解各种有机物，至今TiO2的光催化降解性能备受瞩目。TiO2光生空穴的氧化电位以标准氢电位计为3.0V，比臭氧的2.07V和氯气的1.36V高许多，具有很强的氧化性。高活性的光生空穴具有很强的氧化能力，可以将吸附在半导体表面的OH-和H2O进行氧化，生成具有强氧化性的·OH。从几种强氧化剂的氧化电位大小顺序：F2>·OH>O3>H2O2>HO2·>MnO4->HCLO>Cl2>Cr2O72->·ClO2，可以看出·OH具有很高的氧化电位，是一种强氧化基团，能氧化大多数的有机污染物及部分无机污染物。同时，空穴本身也可夺取吸附在半导体表面的有机污染物中的电子，使原本不吸收光的物质被直接氧化分解。在光催化反应体系中，这两种氧化方式可能单独起作用也可能同时作用，对于不同的物质两种氧化方式参与作用的程度视具体情况有所不同。另一方面，电子受体可直接接受光生半导体表面产生的高活性电子而被还原。环境中的某些特定污染物-有毒金属，如Hg2+、Ag1+、Cr6+、Cu2+等也能接受光生半导体表面产生的高活性电子而被还原成无毒的金属分子。TiO2的光催化能力随着粒径的减小光催化能力逐渐的增强，纳米级二氧化钛具有表面效益和量子效应，达到最优的催化效果，但本身的粉末形态利用于污水处理方面受到了限制。现阶段，人们以多种形态的物质作为载体承载TiO2，使TiO2在废水处理后易于收集。在各种承载方式当中以纤维形态较优，纤维较于硅胶、高分子膜等形态具有较大的比表面积，更强的吸附性。可以实现吸附，降解逐步递进，并达到高吸附率，高降解率。碳本身就具有较强的吸附性，利用PAN制成的PAN基碳纤维成为了复合体系的最佳载体。TiO2的激发光集中在紫外波段(387.5nm为最佳激发峰)，在可见光下催化效率较低。以CeO2作为TiO2的掺杂材料，利用CeO2特有的能级结构，作为电子传到的“桥梁”，填补TiO2的禁带能级。这使TiO2得激发波长红移，拓展到可见光波段，在自然环境下就可以利用日光实现光催化降解，有效的扩展了TiO2在实际中的应用。同时以电的良导体碳纤维为骨架，加强了复合体系中电子传导的效率，在一定程度上降低了电子传导过程中能量的损耗，提升了TiO2光催化降解效率。然而，目前尚无CeO2在复合纤维方面的应用。
技术实现思路
本产品是一种具有分子印迹的TiO2-CeO2与碳纤维的复合材料，是一种在自然日光下就具有高吸附性，高光催化降解效率的复合材料。相比较于现阶段产品，实用性更广，效率更高。本专利技术的第一个目的是提供一种具有分子印迹的TiO2-CeO2与碳纤维的复合材料，是按下述步骤制备而成：(1)按照体积比为1：1：6-10配制钛酸四丁酯-冰醋酸-二甲基亚砜溶液，机械搅拌10分钟后得到透明澄清溶液；(2)按照钛元素：铈元素：模板分子的摩尔比为10:1:2称取硝酸铈与模板分子加入步骤(1)配制的溶液中，超声波震荡15min，机械搅拌20min，得到橘黄色透明溶液；(3)按照20％浓度称取聚丙烯腈加入溶液中恒温70度搅拌20小时得到纺丝液；(4)在恒温恒湿环境下进行静电纺丝纺丝电压为15-18kV，纺丝距离为15-20cm，得到纤维膜；(5)纤维膜在30-45℃通风干燥10-13小时，在500℃煅烧1小时得到TiO2-CeO2复合碳纤维。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(1)将钛酸四丁酯溶于冰醋酸中，超声振荡溶解至透明溶液后将其加入至二甲基亚砜中。室温下搅拌至完全溶解。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(2)将模板分子加入溶液中待其至完全溶解后加入一定比例的硝酸铈超声波震荡使其分散均匀直至完全溶解。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(4)将纺丝液倒入针管中，排空气泡装入静电纺丝装置当中，使用针管规格为塑料制10cc针管，推进速度为1.2ml/h。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(5)升温时间为1h，保温时间为1-2h。在本专利技术的一种实施方式中，所述模板分子包括但不限于甲基橙、罗丹明B、酸性大红GR染料或亚甲基蓝。本专利技术的第二个目的是提供一种制备具有分子印迹的TiO2-CeO2与碳纤维的复合材料的方法，所述方法包括下述步骤：(1)按照体积比为1：1：6-10＝钛酸四丁酯：冰醋酸：二甲基亚砜配制溶液，机械搅拌10分钟后得到透明澄清溶液；(2)按照摩尔比为10:1:2＝钛元素：铈元素：模板分子的比例秤取硝酸铈与模板分子加入溶液中，超声波震荡15min，机械搅拌20min，得到橘黄色透明溶液；(3)按照20％浓度秤取聚丙烯腈加入溶液中恒温70度搅拌20小时得到纺丝液；(4)在恒温恒湿环境下进行静电纺丝纺丝电压为15-18kV，纺丝距离为15-20cm，得到纤维膜；(5)纤维膜在30-45℃通风干燥10-13小时，在500℃煅烧1小时得到TiO2-CeO2复合碳纤维本专利技术的第三个目的是提供所述TiO2-CeO2复合碳纤维在环境、化工领域降解有毒物质方面的应用。有益效果：本产品可以根据实际要求改变静电纺丝时的电压和距离控制前驱体PAN纤维膜的性状，通过控制煅烧时间和控制TiO2的晶格形状和PAN基碳纤维的碳化程度，以便于针对不同有毒有害物质的降解，经实验验证，本专利技术制备的TiO2-CeO2碳纤维对甲基橙、罗丹明B、酸性大红GR染料或亚甲基蓝的吸附率为4.6～33.54％，降解率为37.6～86.6％。附图说明图1为实例一制备出的具有分子印迹的TiO2-CeO2复合碳纤维扫面电镜表征图。具体实施方式实施例1具有分子印迹的TiO2-CeO2与碳纤维的复合材料，具体实施方案如下：(1)将钛酸四丁酯溶于冰醋酸中，超声振荡溶解至透明溶液后将其加入至二甲基亚砜中，配制体积比为1：1：8的钛酸四丁酯-冰醋酸-二甲基亚砜溶液，机械搅拌10分钟后得到透明澄清溶液；。室温下搅拌至完全溶解；(2)按照摩尔比为10:1:2将钛元素：铈元素：模板分子(甲基橙)的比例称取硝酸铈与模板分子加入溶液中，超声波震荡15min，机械搅拌20min，得到橘黄色透明溶液；将模板分子加入溶液中待其至完全溶解后加入一定比例的硝酸铈超声波震荡使其分散均匀直至完全溶解。(3)按照20％浓度秤取聚丙烯腈加入溶液中恒温70度搅拌20小时得到纺丝液；(4)在恒温恒湿环境下进行静电纺丝，纺丝电压为15-18kV，纺丝距离为15-20cm，得到纤维膜；将纺丝液倒入针管中，排空气泡装入静电纺丝装置当中，使用针管规格为塑料制10cc针管，推进速度为1.2ml/h。(5)纤维膜在30-45℃通风干燥10-13小时，在500℃煅烧1小时得到TiO2-CeO2复合碳纤维；升温时间为1h，保温时间为1-2h。制备获得的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有分子印迹的TiO2‑CeO2复合碳纤维，其特征在于，以TiO2作为光降解催化剂，CeO2作为TiO2掺杂材料；所述复合碳纤维的主体骨架为碳纤维，前驱体通过静电纺丝方法制备；所述TiO2的来源包括含钛有机物；CeO2的来源包括含铈有机物。

【技术特征摘要】
1.一种具有分子印迹的TiO2-CeO2复合碳纤维，其特征在于，以TiO2作为光降解催化剂，CeO2作为TiO2掺杂材料；所述复合碳纤维的主体骨架为碳纤维，前驱体通过静电纺丝方法制备；所述TiO2的来源包括含钛有机物；CeO2的来源包括含铈有机物。2.根据权利要求1所述的一种具有分子印迹的TiO2-CeO2复合碳纤维，其特征在于，按下述步骤制备而成：(1)按照体积比为1：1：6-10配制钛酸四丁酯-冰醋酸-二甲基亚砜溶液，搅拌至澄清；(2)按照钛元素：铈元素：模板分子的摩尔比为10:1～2:1～2称取硝酸铈与模板分子加入步骤(1)配制的溶液中，搅拌；(3)加入聚丙烯腈使其终浓度为20％，60～70℃恒温搅拌20～24h；(4)在恒温恒湿环境下进行静电纺丝，纺丝电压为15-18kV，纺丝距离为15-20cm，得到纤维膜；(5)将步骤(4)制备的纤维膜在30-45℃通风干燥10-13小时，在400～500℃煅烧12～小时得到TiO2-CeO2复合碳纤维。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)将钛酸四丁酯溶于冰醋酸中，超声振荡溶解至透明溶液后将其加入至二甲基亚砜中。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)将模板分子加入溶液中待其至完全溶解后加入硝酸铈超声波震荡直至完全溶解。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓强，张家琳，王纪东，陈欣，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32