一种基于超润湿表面的金属半导体异质结构光催化滤网的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超润湿表面的金属半导体异质结构光催化滤网的制备方法，针对制备得到的光催化滤网，在宽谱太阳光垂直入射时，金属纳米颗粒的表面等离激元被激发，强烈地吸收入射光并转化为高能电子注入到纤维中，由于纳米纤维包含丰富的晶面与晶相，可引导高能电子进一步分离，增强光催化活性。金属纳米结构表面的疏水特性使得其附近存在大量自由氧分子，不仅可高效、持久地发生光催化分解，而且疏水作用也有助于增强对污染物的吸附能力。不同的表面浸润特性也使其具有无支撑、自漂浮的特点，亲水部分实现水分子和污染物的快速输运，阻挡水中的大颗粒物和盐分，避免大尺寸颗粒对滤网的破坏，显著提高了滤网的稳定性。显著提高了滤网的稳定性。显著提高了滤网的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超润湿表面的金属半导体异质结构光催化滤网的制备方法


[0001]本专利技术涉及纳米材料领域、环境保护和薄膜器件领域，特别是涉及一种基于超润湿表面的金属半导体异质结构光催化滤网的制备方法。

技术介绍

[0002]在污染日益严重的今天，利用半导体金属氧化物的光催化性能对空气或水中的污染物进行催化降解普遍被人们认为具有极大的发展前景。传统光催化材料，如二氧化钛、氧化锌等材料因其高化学稳定性、环境友好及工艺简单成本低等优势受到人们广泛关注，但其带来的低光催化量子效率(单一结构中显著的光生电子
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空穴对的再复合效应)，较低的光能利用效率(禁带宽度限制其只能响应短波段的光)，以及与传统滤网结构兼容性差等众多缺陷使得光催化净化的使用场景受到局限。
[0003]因此寻求一种新机理、多功能的复合光催化空气/水净化滤网结构是当前研究人员的热点研究方向。
[0004]为了实现有效的光生电子
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空穴对的分离以及可拓展到可见乃至红外光波段的宽太阳光谱响应，利用表面等离激元金属纳米结构进行半导体金属氧化物的表面改性是有效手段之一。表面等离激元是指当入射光照射到金属表面时，自由电子在光场的驱动下产生的表面波谐振。
[0005]这种局域化的光子
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电子谐振，可通过表面等离激元结构的形貌、尺寸和周围环境折射率等进行调谐，在光谱上则体现出可见至红外波段峰值可调的吸收峰。与此同时，金属表面等离激元在非辐射跃迁中还会产生高能电子，即人们所说的“热电子”，该种高能电子因其具有足够的能量，从而可以克服表面等离激元金属纳米结构与半导体纳米材料之间的势垒(即“肖特基势垒”)，快速注入到半导体纳米材料中，最终参与到光化学反应中。该种基于表面等离激元效应诱导的热电子传输机制将有效的实现光生电子
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空穴对的分离，显著提高催化材料的光催化效率。
[0006]除了从纳米尺度上对催化材料进行优化设计之外，研究还发现，污染物的降解能力还取决于其接触的表面结构的浸润特性。对于大多数的光催化剂而言，其制备过程往往在水基体系中完成，材料表面基本上呈亲水特性。然而，大多数的有机污染物更倾向于吸附在不那么亲水的表面，尤其是表面有一定化学键修饰、具有相当粗糙度的表面结构，更容易吸附和固定这些污染物。因此，从微米尺度上对光催化材料的表面特性进行改性，以进一步提升对各种污染物的吸附与降解能力，将更进一步发挥光催化材料的潜能。
[0007]此外，考虑到实际环境应用，相比于粉末型，薄膜型的光催化结构具有即插即用、无二次污染以及稳定和使用寿命长等优势，是当前光催化水/空气净化领域的主要研究趋势。
[0008]传统的光催化滤网通常是用过滤棉棉基材料、铝镍基材料过滤网以及无纺布过滤网等作为基体来吸附光催化材料构成的。这样制备出的光催化滤网存在对光催化材料吸附
能力差、空气透过性差以及成本高体积大等诸多问题。大面积、程控的静电纺丝技术为实现可大面积制备、高透光性、高空气透过性以及高效吸附能力的滤网结构提供了有效解决途径。静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，通常是将聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形，即泰勒锥，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种由聚合物形成的微纳级纤维细丝具有柔性轻质、多孔以及透光特性，表面自身携带的化学基团赋予了其高吸附性，同时还易于表面改性与其他材料体系相兼容。制备过程高度可控，快速且成本低廉，只需通过调整相关纺丝参数，便可满足不同应用需求。
[0009]由于金属纳米颗粒的光学特性与其分布、尺寸和形状密切相关，因此，实现金属纳米颗粒的可控生长至关重要。与传统的化学还原方法相比，光化学合成法利用金属晶种在特定波长电磁波作用下诱导形成特定结构的金属纳米颗粒，能够做到反应环境温和、反应动力学过程可精确调控、制备过程简单且环境友好，特别是能够形成具有更出色局域表面等离激元共振特性的各向异性结构，可密集形成金属纳米颗粒而不会发生颗粒集聚(这些对于传统方法非常困难)，利用纺丝技术制备含有金属晶种和半导体催化剂的滤网前驱体，再结合光化学原位诱导技术，使得制备设计的特殊结构的催化滤网成为可能。
[0010]针对传统空气净化系统中光催化材料与滤网构成的净化系统中光催化材料催化效率低、不能充分利用宽光谱的太阳光、滤网吸附有机污染物能力低、净化系统寿命短及成本高等问题，本专利技术提出的一种基于金属
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半导体异质结构的纳米光催化滤网及制备方法，将有效的解决以上的问题，有望替代传统水/空气净化器中的滤网净化系统，实现新一代的高效、廉价及高寿命的水/空气净化器。

技术实现思路

[0011]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于超润湿表面的金属半导体异质结构光催化滤网的制备方法，用以解决传统空气净化器中光催化材料催化效率低、不能充分利用太阳光、滤网吸附有机污染物能力低、净化系统寿命短及成本高等问题。通过本专利技术制备的滤网结构可实现太阳光波段的宽谱线响应、高催化能力及太阳光的多级充分利用，实现广谱、高效的空气净化。
[0012]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0013]一种基于超润湿表面的金属半导体异质结构光催化滤网的制备方法，所述方法包括：
[0014]步骤S1、采用静电纺丝法制备光催化滤网前驱体，其包括：首先制备静电纺丝溶液，然后将制备得到的静电纺丝溶液注入静电纺丝设备中执行纺丝，接着，在纺丝结束之后，对纺丝得到样品依次执行真空干燥和退火操作，最后，在退化结束之后得到纳米纤维结构；
[0015]步骤S2、基于步骤S1中得到的纳米纤维结构，在其表面负载金属晶种颗粒；
[0016]步骤S3、针对步骤S2中的金属晶种颗粒，采用光照诱导法使其续生长，其包括：首先将金属盐和还原剂按照质量比0.001
‑
1溶于水中，充分搅拌后得到无色透明的续生长溶液；然后将步骤S2中制备得到的表面负载有金属晶种颗粒的纳米纤维结构浸没在所述的续生长溶液中，并放置在窄线宽光源下，持续光照一定时间，直到该纳米纤维结构的表面颜色
不再改变为止，从而得到负载金属颗粒的复合纳米纤维结构；
[0017]步骤S4、将步骤S3中制备得到的复合纳米纤维结构置于有机疏水分子乙醇溶液中，并给在室温下静置一定时间，使得有机疏水分子充分绑定在所述复合纳米纤维结构的表面，改变其表面浸润性，从而得到所述基于超润湿表面的金属半导体异质结构光催化滤网。
[0018]进一步的，在所述步骤S1中，通过如下方法制备得到静电纺丝溶液，其包括：将金属盐与大分子导电材料按质量比0.001
‑
1溶于有机溶剂中，溶质质量占溶剂质量在7
‑
20％之间，充分搅拌后得到澄清透明的静电纺丝溶液；其中，该金属盐包括：硝酸银、高氯金酸或氯铂酸；
[0019]所述的有机溶剂为N,N
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二甲基甲酰胺DMF、丙酮或甲苯非极性溶剂；
[0020]该大分子导电材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超润湿表面的金属半导体异质结构光催化滤网的制备方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S1、采用静电纺丝法制备光催化滤网前驱体，其包括：首先制备静电纺丝溶液，然后将制备得到的静电纺丝溶液注入静电纺丝设备中执行纺丝，接着，在纺丝结束之后，对纺丝得到样品依次执行真空干燥和退火操作，最后，在退化结束之后得到纳米纤维结构；步骤S2、基于步骤S1中得到的纳米纤维结构，在其表面负载金属晶种颗粒；步骤S3、针对步骤S2中的金属晶种颗粒，采用光照诱导法使其续生长，其包括：首先将金属盐和还原剂按照质量比0.001
‑
1溶于水中，充分搅拌后得到无色透明的续生长溶液；然后将步骤S2中制备得到的表面负载有金属晶种颗粒的纳米纤维结构浸没在所述的续生长溶液中，并放置在窄线宽光源下，持续光照一定时间，直到该纳米纤维结构的表面颜色不再改变为止，从而得到负载金属颗粒的复合纳米纤维结构；步骤S4、将步骤S3中制备得到的复合纳米纤维结构置于有机疏水分子乙醇溶液中，并给在室温下静置一定时间，使得有机疏水分子充分绑定在所述复合纳米纤维结构的表面，改变其表面浸润性，从而得到所述基于超润湿表面的金属半导体异质结构光催化滤网。2.根据权利要求1所述的一种基于超润湿表面的金属半导体异质结构光催化滤网的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，通过如下方法制备得到静电纺丝溶液，其包括：将金属盐与大分子导电材料按质量比0.001
‑
1溶于有机溶剂中，溶质质量占溶剂质量在7
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20％之间，充分搅拌后得到澄清透明的静电纺丝溶液；其中，该金属盐包括：硝酸银、高氯金酸或氯铂酸；所述的有机溶剂为N,N
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二甲基甲酰胺DMF、丙酮或甲苯非极性溶剂；该大分子导电材料包括：有机导电材料、有机压电材料或具有半导体导电特性的无机金属盐；其中，所述有机导电材料为3
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己基取代聚噻吩P3HT、聚苯胺PANi或聚吡咯Ppy；所述有机压电材料为聚偏氟乙烯PVDF、聚偏氟乙烯
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三氟乙烯P或聚丙烯腈PAN；所述具有半导体导电特性的无机金属盐为含钛、锌或铋具有半导体导电特性的无机金属盐。3.根据权利要求1所述的一种基于超润湿表面的金属半导体异质结构光催化滤网的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，通过如下的方法执行纺丝，其包括：首先将所述的静电纺丝溶液装入液体注射器中，排除其中的气泡，并加载在静电纺丝设备的推注卡槽上，将铜网包覆在接收滚筒上；然后开启静电纺丝设备，设置纺丝参数，纺丝结束后取下铜网，放入真空干燥箱中80℃干燥8
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12h，将干燥后的样品至于马弗炉中进行退火，温度设置为200
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1000℃，时间为30
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360min，退火结束后将温度降至室温并取出样品。4.根据权利要求3所述的一种基于超润湿表面的金属半导体异质...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彤，王善江，严曦，张晓阳，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：