一种碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维及其制备方法。该复合纤维由外层管状的碳点掺杂二氧化钛纳米颗粒层包裹内部碳纤维而成，该复合材料外层的碳点掺杂二氧化钛纳米颗粒层确保该复合材料具有较高的比表面积，而内核碳纤维作为导电结构，有利于二氧化钛光生载流子的分离和传导，从而提高二氧化钛的光催化降解效率，掺杂在TiO2纳米颗粒中的碳元素为制备过程中自行生成。本发明专利技术制备的复合纤维材料比表面积大、光电性能好，可用于催化降解水体中的有毒污染物。

【技术实现步骤摘要】
一种碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维及其制备方法
本专利技术属于净化材料的制备
，具体涉及一种碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维及其制备方法。
技术介绍
随着人类社会的迅猛发展，人们的生活质量在不断地提高，与此同时，环境遭到破坏和污染的问题也日益加剧，治理环境污染已成为全世界普遍关注并急需解决的一大问题。纳米半导体光催化材料由于可以降解有机污染物而被人类广泛用于治理和保护环境。与化学氧化法、高温焚烧法、物理吸附法等其他一些解决有机污染物的方法相比，采用纳米半导体光催化材料进行光催化降解的方法具有效率高、耗能低、适用范围广、二次污染少等优势。二氧化钛(TiO2)化学性质稳定、光照后不易发生光腐蚀、成本低廉、光催化反应活性高且对生物无毒，被公认为是当前最有应用潜力的一种半导体光催化剂，在过去的几十年中得到了迅速的发展，广泛应用于污水处理、空气净化、自清洁建筑材料、太阳能电池、传感器等方面。大量研究表明，TiO2光催化活性除了与晶体晶型结构相关外，还与其比表面积、与其他元素的掺杂、与其他材料的复合以及催化剂载体的结构和性质等因素相关。因此，采用适当的方法实现TiO2复合材料的可控制备是十分必要的。比如，CN107029693A公开了一种碳点掺杂二氧化钛复合微管及其制备方法。利用纺丝纤维为模板，经过硫酸磺化处理。再通过溶胶凝胶法在纤维表面包覆一层TiO2。最后通过煅烧处理，将纺丝材料炭化，形成碳点掺杂二氧化钛复合微管。碳点成分能够为光生载流子提供直接的电通路，确保快速的电子传递速率，减少光催化反应中发生的复合反应，因而提高了二氧化钛纳米材料的光催化活性和光电转换效率。此外管状结构具有较大的比表面积，大大增加了与有机污染物的接触面积。该复合材料具有对偏二甲肼有较高的催化降解能力，但单一的管状结构限制了二氧化钛光生载电子的传导速率，不利于催化降解能力的进一步提升，且由于静电纺丝法制备纤维模板成本过高，不利于实现工业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种具有独特微观结构的碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维及其制备方法。实现本专利技术目的的技术解决方案是：一种碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维，该复合纤维由外层管状的碳点掺杂二氧化钛纳米颗粒层包裹内部碳纤维而成。该复合材料外层的碳点掺杂二氧化钛纳米颗粒层确保该复合材料具有较高的比表面积，而内核碳纤维作为导电结构，有利于二氧化钛光生载流子的分离和传导，从而提高二氧化钛的光催化降解效率。掺杂在TiO2纳米颗粒中的碳元素为制备过程中自行生成。进一步的，碳点掺杂二氧化钛纳米颗粒层中碳含量为5~12.5wt%，二氧化钛含量为87.5~95wt%。进一步的，碳点掺杂二氧化钛纳米颗粒层中的碳元素在整个复合纤维中的含量为1~5wt%。一种碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维的制备方法，具体操作步骤如下：（1）在一定温度下，将聚丙烯腈纤维浸泡在强酸中水解处理，水洗、醇洗；（2）将步骤（1）中处理得到的聚丙烯腈纤维浸泡在钛酸酯或者钛酸酯与有机溶剂的混合溶液中一定时间后，再置于水或含水的混合溶液中浸泡一定时间，干燥后备用；（3）将步骤（2）得到的样品在惰性气体保护下升温至400~800℃，煅烧2~2.5小时，待温度降至室温即得到复合材料。进一步的，步骤（1）中，所述的聚丙烯腈纤维的主要成分为聚丙烯腈或聚甲基丙烯腈，并可以含有一种或几种单体的共聚合物，其中，这些单体包括丙烯腈、甲基丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、乙酸乙烯酯、N,N-二甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、丙烯酸、甲基丙烯酸缩水甘油酯、苯乙烯、二乙烯基苯。进一步的，步骤（1）中,聚丙烯腈纤维的长度无特别限定，优选1~3cm，直径无特别限定，优选1~20μm。进一步的，步骤（1）中，聚丙烯腈纤维浸泡在强酸中水解，其水解程度可通过调整酸的浓度、水解温度和水解时间控制，进而控制碳点掺杂二氧化钛层的厚度和内部碳纤维的直径，所用的强酸可以是硫酸、盐酸，浓度为0.1～10.0mol/L，水解温度为20℃~140℃，优选120℃~140℃，在选择120℃~140℃时，水解处理时间为1~1.5小时，温度越低，所需时间越长。进一步的，步骤（2）中，钛酸酯包括钛酸四乙酯、钛酸异丙酯、钛酸四丁酯等钛酸烷氧基酯中的一种或几种的混合物。进一步的，步骤（2）中，有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇等醇类中的一种或几种的混合物。进一步的，步骤（2）中，含水的混合溶液包括甲醇、乙醇、丙醇等醇类中的一种或几种与水的混合溶液。进一步的，步骤（2）中，钛酸酯与有机溶剂的质量比无特别限定，优选1:1，含水的混合溶液中水的浓度无特别限定，优选50wt%；纤维浸泡在钛酸酯与有机溶剂的混合溶液中1~36小时，优选8-12小时，再置于水或含水的混合溶液中浸泡10分钟以上。进一步的，步骤（3）中，惰性气体为氮气或氩气或氦气。进一步的，步骤（3）中，升温速度无特别限定，优选3~5℃/min。与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：（1）采用本专利技术所述方法，制得的碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维材料具有导电的碳纤维内核，有利于二氧化钛光生载流子的分离和传导，因此可以提高二氧化钛的光催化降解效率。（2）本专利技术所用聚丙烯腈纤维模板是商业化产品，容易获得，成本低廉，有利于大规模生产，得到的碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维复合材料不但比表面积大、光电性能好，而且化学活性高，有利于催化降解水体中的有毒污染物。（3）本专利技术制备过程简单，容易实现工业化生产。（4）本专利技术所制备的碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维复合材料是宏观尺寸的材料，便于生产、应用、回收和重复利用，有利于降低成本，减少二次污染。附图说明图1为实施例1中碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维的扫描电镜图。图2为实施例2中碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维的扫描电镜图。图3为实施例5中碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维的扫描电镜图。图4为实施例6中碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维的扫描电镜图。图5为实施例1中碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维的XRD图。图6为本专利技术所述的碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维结构示意图。具体实施方式以下根据实施例更详细地说明本专利技术，但本专利技术并不限定于此。结合图6，本专利技术所述的碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维由外层管状的碳点掺杂二氧化钛纳米颗粒层包裹内部碳纤维而成。实施例1：（1）120℃油浴下，将聚丙烯腈纤维浸泡在50%的硫酸中水解处理1小时，水洗、醇洗；（2）将表面水解的聚丙烯腈纤维浸泡在钛酸四丁酯与乙醇的混合溶液（钛酸四丁酯与乙醇的质量比为1:1）中24小时，再于乙醇与蒸馏水的混合溶液中浸泡半小时；（3）将步骤（2）得到的样品在氮气保护下以3℃/min的速率升温至400℃，保温2小时，待温度降至室温即得到二氧化钛/碳复合纤维复合材料。实施例2：按照实施例1所述制备材料，所不同的是步骤（2）中使用1.5小时的水解处理时间。实施例3：按照实施例1所述制备材料，所不同的是步骤（3）中使用450℃的煅烧温度。实施例4：按照实施例1所述制备材料，所不同的是步骤（3）中使用500℃的煅烧温度。实施例5：按照实施例1所述制备材料，所不同的是步骤（1）中使用130℃的油浴温度。实施例6：按照实施例5所述制备材料，所不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维，其特征在于，该复合纤维由外层管状的碳点掺杂二氧化钛纳米颗粒层包裹内部碳纤维而成。

【技术特征摘要】
1.碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维，其特征在于，该复合纤维由外层管状的碳点掺杂二氧化钛纳米颗粒层包裹内部碳纤维而成。2.如权利要求1所述的复合纤维，其特征在于，碳点掺杂二氧化钛纳米颗粒层中的碳含量为5~12.5wt%。3.如权利要求1所述的复合纤维，其特征在于，碳点掺杂二氧化钛纳米颗粒层中的碳元素在复合纤维中的含量为1~5wt%。4.如权利要求1-3任一所述的碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维，其特征在于，所述复合纤维通过如下步骤制备：（1）将聚丙烯腈纤维浸泡在强酸中水解处理，水洗、醇洗；（2）将步骤（1）中处理得到的聚丙烯腈纤维浸泡在钛酸酯或者钛酸酯与有机溶剂的混合溶液中，再置于水或含水的混合溶液中浸泡，干燥；（3）将步骤（2）得到的样品在惰性气体保护下升温至400~800℃，煅烧2~2.5小时，待温度降至室温即得到复合材料。5.一种碳点掺杂二氧化钛/碳复合纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）在一定温度下，将聚丙烯腈纤维浸泡在强酸中水解处理，水洗、醇洗；（2）将步骤（1）中处理得到的聚丙烯腈纤维浸泡在钛酸酯或者钛酸酯与有机溶剂的混合溶液中一定时间后，再置于水或含水的混合溶液中浸泡一定时间，干...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪立军，周曙，巩敏东，刘茜，许桐，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32