一种二氧化钛/碳纳米管复合纤维及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种二氧化钛/碳纳米管复合纤维及其制备方法，该方法包括以下步骤：将催化剂、助催化剂和有机溶剂配制得到碳源溶液，并将钛源溶解在碳源溶液中，得到钛源/碳源混合溶液；将反应器升至反应温度，并在反应器内持续通入载气和反应气；将钛源/碳源混合溶液注入反应器中，发生高温裂解反应，冷却后，收集得到二氧化钛/碳纳米管复合纤维。与现有技术相比，本发明专利技术采用原位合成的办法，解决了传统浸涂法中二氧化钛和碳纳米管之间连接不紧密、电子传输效率低导致光催化活性低的问题，同时改善了水热法不可连续制备、产物收集困难的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化钛/碳纳米管复合纤维及其制备方法


[0001]本专利技术涉及纳米材料制备
，具体涉及一种二氧化钛/碳纳米管复合纤维及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着能源短缺和环境污染问题日益严重，污水处理逐渐成为城市发展过程中日益沉重的负担。传统的化学处理和电化学处理法耗能严重且并且不环保，有可能带来二次污染。因此，光催化作为一种环保廉价的手段，逐渐被科学家们青睐。通过光生载流子的反应活性对污染物进行降解，产物通常为无机小分子，从而达到环保处理的效果。二氧化钛作为一种带隙宽度适中的无机物，在接受日光后产生的活泼电子足以将污水中的常见有机物如苯酚等降解，但是二氧化钛的电子
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空穴分离效率比较低，在没有其他材料的帮助下很难有较高的分解效率。
[0003]目前已有研究将二氧化钛复合在碳纳米管上以增强整体光催化效果(S.Mallakpour,E.Khadem/Chemical Engineering Journal 302(2016)344
‑
367)。通过利用二氧化钛和碳纳米管的界面接触促使电子
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空穴产生有效分离，提高了催化活性。然而，当前的成果一般采用涂覆法或水热法将二氧化钛吸附或生长在碳纳米管表面，二氧化钛负载率低，颗粒与碳纳米管之间的电子传输效率仍然有限。并且，这些方法不能连续化生产，实际使用中材料的生产成本很高，很难真正推广使用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的在二氧化钛/碳纳米管复合纤维中二氧化钛颗粒与碳纳米管之间电子传输效率低、二氧化钛负载率低、并且不能连续化生产、制造成本高等缺陷中的至少一个而提供一种负载率高、电荷传输效率高、可连续化制备及其复合纤维制备方法，以期获得更好的光催化效率，推动二氧化钛/碳纳米管复合纤维的规模化制备及产业化进程。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种二氧化钛/碳纳米管复合纤维的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0007]将催化剂、助催化剂和有机溶剂配制得到碳源溶液，并将钛源溶解在碳源溶液中，得到钛源/碳源混合溶液；
[0008]将反应器升至反应温度，并在反应器内持续通入载气和反应气；
[0009]将钛源/碳源混合溶液注入反应器中，发生高温裂解反应，冷却后，收集得到二氧化钛/碳纳米管复合纤维。
[0010]进一步地，所述的催化剂包括二茂铁、二茂钴或二茂镍；所述的助催化剂为含硫有机化合物；所述的有机溶剂包括苯或乙醇；所述的钛源为含钛有机化合物。
[0011]进一步地，所述的含硫有机化合物包括噻吩；所述的含钛有机化合物包括钛酸酯及其衍生物、有机钛化合物或有脂溶性的有机酸的钛盐，具体包括钛酸四丁酯或钛酸四异
丙酯。
[0012]进一步地，所述的钛源/碳源混合溶液中，催化剂的质量分数为0.5
‑
10％，助催化剂的质量分数为0.5
‑
10％，钛源的质量分数为0.5
‑
30％。
[0013]进一步地，所述的反应温度为900
‑
1500℃，升温速率为0.5
‑
2℃/min。
[0014]进一步地，所述载气和反应气的体积比为1:(5
‑
20)；气体总流量为1000
‑
2000sccm。
[0015]进一步地，所述的载气为惰性气体，包括氩气或氦气，所述的反应气为氢气。
[0016]进一步地，所述钛源/碳源混合溶液注入的速率为50
‑
300μL/min。
[0017]进一步地，冷却的方式为牵拉过水，牵引速率为1
‑
20cm/s。
[0018]一种如上所述方法制备的二氧化钛/碳纳米管复合纤维。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0020](1)本专利技术制备得到的二氧化钛/碳纳米管复合纤维，二氧化钛可均匀包覆在每一根碳纳米管周围，因此电子传输效率高、催化活性强，并可通过调整钛源比例灵活调整二氧化钛含量；
[0021](2)本专利技术通过在碳纳米管表面原位生长二氧化钛的技术制备得到二氧化钛/碳纳米管复合纤维，该技术可实现连续化生产，且生产制备效率高、成本低。
附图说明
[0022]图1为实施例1制备的复合纤维的1千倍放大SEM图；
[0023]图2为实施例1制备的复合纤维的1万倍放大SEM图；
[0024]图3为实施例2制备的复合纤维的1千倍放大SEM图；
[0025]图4为实施例2制备的复合纤维的1万倍放大SEM图；
[0026]图5为实施例1制备的复合纤维的X射线光子特征能量谱(EDS)；
[0027]图6为实施例2制备的复合纤维的X射线光子特征能量谱(EDS)。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0029]一种二氧化钛/碳纳米管复合纤维的制备方法，该复合纤维材料的制备流程如下：
[0030](1)按一定比例配制催化剂、助催化剂和有机溶剂，得到碳源溶液。然后将一定比例钛源溶解在碳源溶液中，通过加热或超声方式溶解分散，得到均匀透明的钛源/碳源混合溶液。催化剂为二茂铁、二茂钴或二茂镍，有机溶剂为烃类、醇类、酮类或羧酸类，包括但不限于苯、乙醇等。助催化剂为含硫有机化合物，包括但不限于噻吩等。助催化剂的作用是裂解释放硫元素，约束催化剂裂解形成的微晶尺寸。催化剂质量分数在0.5
‑
10％，助催化剂质量分数在0.5
‑
10％。钛源为含钛有机化合物，包括但不限于钛酸酯及其衍生物、有机钛化合物、有一定脂溶性的含有机酸的钛盐，如钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯等。所述钛源质量分数在0.5
‑
30％。
[0031](2)按一定升温速率将竖式管式炉升温至反应温度，以一定流量的载气清洗竖式
管式炉后，调节载气和反应气比例，继续保持一定时间以确保炉内流场平稳，反应可以在反应区顺利完成。竖式管式炉升温速率在0.5
‑
2℃/min，反应温度在900
‑
1500℃。载气为氩气、氦气等惰性气体，反应气为氢气。载气清洗流量在1000
‑
2000sccm。清洗完成后载气与反应气体积比在1:5到1:20之间，气体总流量在1000
‑
2000sccm。
[0032](3)使用注液泵以一定流速将步骤(1)制备的钛源/碳源混合溶液注入竖式管式炉中，然后通过一定内径的金属细管被输送到进料区。混合溶液在进料区快速汽化，并在反应区发生高温裂解反应。其中碳源成分裂解后在催化剂微晶表面组装为碳纳米管。钛源组分裂解为二氧化钛微粒，在碳纳米管表面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二氧化钛/碳纳米管复合纤维的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将催化剂、助催化剂和有机溶剂配制得到碳源溶液，并将钛源溶解在碳源溶液中，得到钛源/碳源混合溶液；将反应器升至反应温度，并在反应器内持续通入载气和反应气；将钛源/碳源混合溶液注入反应器中，发生高温裂解反应，冷却后，收集得到二氧化钛/碳纳米管复合纤维。2.根据权利要求1所述的一种二氧化钛/碳纳米管复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的催化剂包括二茂铁、二茂钴或二茂镍；所述的助催化剂为含硫有机化合物；所述的有机溶剂包括苯或乙醇；所述的钛源为含钛有机化合物。3.根据权利要求2所述的一种二氧化钛/碳纳米管复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的含硫有机化合物包括噻吩；所述的含钛有机化合物包括钛酸酯及其衍生物、有机钛化合物或有脂溶性的有机酸的钛盐，具体包括钛酸四丁酯或钛酸四异丙酯。4.根据权利要求1所述的一种二氧化钛/碳纳米管复合纤维的制备方法，其特征在于，所述的钛源/碳源混合溶液中，催化剂的质量分数为0.5
‑
10％，助催化剂的质量分数为0.5
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10％，钛源的质量分数为0.5
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈培宁，胥鉴宸，赵天成，蒋鸿宇，彭慧胜，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：