一种Ag/TiO2@木质素基碳纤维膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种Ag/TiO2@木质素基碳纤维膜及其制备方法和应用，属于膜光催化材料技术领域。采用静电纺丝和高温活化制备工艺，以木质素为载体，TiO2纳米颗粒为光催化活性中心，通过Ag表面等离子体共振效应拓展TiO2的可见光吸收能力，构筑一种Ag/TiO2@木质素基碳纤维膜光催化剂。本发明专利技术将Ag和TiO2纳米颗粒均匀镶嵌在木质素纳米纤维中，解决了粉末光催化剂应用时难回收、易团聚和产生二次污染的问题。所制备的膜光催化剂具有较好的可见光吸收能力和光催化性能，可应用于光催化选择性解聚木质素、光催化降解污染物和海水淡化。本发明专利技术实现了木质素的资源化和高值化利用，为该行业的可持续发展提供一种新策略，具有较好的经济和社会效益。社会效益。社会效益。

【技术实现步骤摘要】
一种Ag/TiO2@木质素基碳纤维膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于膜光催化材料
，具体涉及一种Ag/TiO2@木质素基碳纤维膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]光催化被认为是解决环境污染和能源危机的最具前景的技术之一，粉末光催化剂具有高比表面积和光催化活性。然而，以粉末形式存在的光催化剂存在易团聚、难回收等问题，从而限制了其实际应用。膜光催化剂将纳米光催化剂均匀分布在膜材料表面，既能保持材料的高比表面积和光催化活性，也便于回收，能较好地解决粉末光催化剂的应用问题，实现光催化的工程化应用。
[0003]木质素是一种芳香族天然高分子，具有储量丰富、可再生、碳含量高等特点，然而，作为一种造纸副产物，木质素的高值化利用率较低，只有少量的木质素作为精细化工的原材料。相比于其他生物质，木质素具有大量的苯环结构和高碳含量，因此是理想的碳纤维前驱体原料。
[0004]木质素基碳纤维化学性质稳定，具有良好的导电性和光吸收能力，有利于光生载流子快速迁移，实现光生电子空穴对的分离，因此适合作为光催化剂的载体。木质素基碳纳米纤维在催化领域具有良好的应用潜力，已经成为木质素高值化利用的研究热点。以木质素基碳纳米纤维作为载体，将纳米颗粒均匀分散在纤维表面，能够解决粉末光催化材料的回收问题，同时促进光生载流子分离，提高吸附和光催化性能。
[0005]二氧化钛是一种最常见的半导体材料（E
g
≈ 3.2 eV），具有较高的光催化活性和光热稳定性能，但其可见光响应能力差，太阳光利用效率较低。为了提高其可见光催化活性，需通过非金属元素掺杂、负载贵金属、染料敏化、构建异质结等策略来减小催化剂的带隙能和拓宽光谱响应范围。Ag纳米颗粒具有表面等离子共振效应，有利于提高光催化材料的可见光吸收能力，将Ag纳米颗粒沉积于TiO2表面，能拓宽TiO2的在可见光区域的光吸收能力，扩展其光催化应用的潜力。此外，木质素基碳纳米纤维含有大量的芳香环结构和共轭体系，也具备较强的可见光吸收，同时木质素基碳纤维具有良好的光生载流子分离和传输性能，可进一步提高负载的TiO2的可见光吸收能力和光催化效率。
[0006]CN 111135812 A 公布了一种碳基光催化剂的制备方法，利用木质素和聚丙烯腈构筑碳纤维，将TiO2纳米颗粒分散在碳纳米纤维表面，并利用碳壳将其包裹使其具有较强的疏水性，使TiO2能够浮于污水表面接受更多的光能提高光催化效率；同时利用碳纳米纤维的优良导电性使TiO2产生的光生电子能够及时转移，避免了光生电子与空穴的复合；但是，该专利技术的光催化剂不具备可见光吸收能力，其太阳光利用效率低。此外为了提高TiO2的疏水性，包裹的碳壳会影响其光吸收性能。东华大学谢敏的硕士学位论文《木质素基碳纳米纤维及其光催化性能研究》公开了TiO2@木质素基碳纳米纤维的制备方法和应用，采用静电纺丝和碳化制备的TiO2@木质素基碳纳米纤维只能在紫外光条件下降解罗丹明B染料溶液，同样不具备可见光吸收能力。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种Ag/TiO2@木质素基碳纳米纤维膜及其制备方法和应用，旨在解决粉末光催化剂应用时易团聚、难回收问题，以及TiO2@碳纳米纤维膜可见光吸收能力差等问题。产品可应用于选择性解聚木质素、降解污染物和海水淡化等领域，实现木质素的高值化利用。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种Ag/TiO2@木质素基碳纤维膜的制备方法包括以下步骤：（1）壳层纺丝液的制备：将壳层助纺剂和AgNO3溶解于混合溶液A中，水浴加热下搅拌均匀，得到壳层纺丝液；（2）核层纺丝液的制备：将核层助纺剂、TiO2和木质素溶解于N,N
‑
二甲基甲酰胺中（DMF），超声分散后搅拌均匀，得到核层纺丝液；（3）将壳层纺丝液和核层纺丝液通过静电纺丝得到核壳结构的纳米纤维膜；（4）将核壳结构的纳米纤维膜经干燥、预氧化后碳化，得到所述的Ag/TiO2@木质素基碳纤维膜。
[0009]进一步地，步骤（1）、（2）所述的助纺剂为聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚丙烯氰（PAN）、聚氧化乙烯（PEO）、聚乙烯醇（PVA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的的至少一种。
[0010]步骤（1）中的溶液A为水与溶剂的混合液，体积比为1 : 1 ~ 1 : 4，溶剂为 N ,N 二甲基甲酰胺（DMF）、异丙醇和乙醇的任一种。
[0011]步骤（1）中的壳层助剂的质量分数为5 ~ 15%，AgNO3的质量分数为0.5 ~ 10%。
[0012]步骤（2）中的木质素为碱木质素、脱碱木质素、木质素磺酸钠的至少一种，核层助纺剂的质量分数为5 ~ 10%，木质素的质量分数为10 ~ 30%，TiO2与木质素的质量比为1 ~ 3:10。
[0013]步骤（3）静电纺丝的工作参数静电纺丝的工作参数为：壳纺丝液推流速度0.25 ~ 0.35mm/min，核纺丝液推流速度0.10 ~0.20mm/min，接收距离为20cm，纺丝电压为15 kV，温度为40℃，空气相对湿度为30%，同轴喷头壳的内径为0.9~1.4mm，芯的内径0.26~0.6mm，芯的外径为0.5~0.9mm。
[0014]步骤（4）的纳米纤维膜的干燥、预氧化、碳化的工艺条件分别为：烘箱中80℃干燥8h；在马弗炉中以3℃/min的升温速率，从室温升温至200~300℃，保温60 min，随后自然冷却至室温；在管式炉的恒定N2气流中，以3℃/min的升温速率，从室温升温至550~750℃，保温30min后冷却至室温。
[0015]本专利技术以木质素为载体，TiO2纳米颗粒为光催化活性中心，通过Ag表面等离子体共振效应提高TiO2的可见光吸收能力，采用静电纺丝和高温活化制备工艺，构筑一种Ag/TiO2@木质素基碳纤维膜。静电纺丝将Ag和TiO2纳米颗粒均匀镶嵌在木质素纳米纤维中，解决了粉末光催化剂应用时难回收、易团聚和产生二次污染的问题。高温活化将木质素中的含氧官能团热解，最终形成具有类石墨结构的碳纤维，使其具有良好的导电性，从而提高可见光催化活性。制得的Ag/TiO2@木质素基碳纳米纤维膜，可应用于选择性解聚木质素，降低污染物和海水蒸发等领域。其中选择性解聚木质素可将木质素中含量最丰富的β
‑
O
‑
4键断裂，获得香草醛等含苯环的产物，实现木质素的高值化利用。
[0016]本专利技术的有益效果在于：
（1）本专利技术所制备的Ag/TiO2@木质素基碳纳米纤维膜光催化剂具有更好的可见光响应能力，能够实现在太阳光照射下对木质素进行选择性解聚制备高附加值的产物，同时可应用于光催化降解污染物和海水淡化。
[0017]（2）本专利技术的膜光催化剂中的木质素基碳纳米纤维石墨化高，具有较好的导电性能，有利于光生电子空穴的分离，TiO2镶嵌在碳纳米纤维表面也可提高其稳定性。Ag纳米颗粒可拓宽TiO2的可见光吸收范围，提高其太阳光利用效率。
[0018]（3）本专利技术制备的Ag/Ti本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ag/TiO2@木质素基碳纤维膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）壳层纺丝液的制备：将助纺剂和AgNO3溶解于溶液A中，水浴加热下搅拌均匀，得到壳层纺丝液；（2）核层纺丝液的制备：将助纺剂、TiO2和木质素溶解于N,N
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二甲基甲酰胺中，超声分散后搅拌均匀，得到核层纺丝液；（3）将壳层纺丝液和核层纺丝液通过静电纺丝得到核壳结构的纳米纤维膜；（4）将核壳结构的纳米纤维膜经干燥、预氧化后碳化，得到所述的Ag/TiO2@木质素基碳纤维膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）和（2）中助纺剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中溶液A为水与溶剂的混合液，水与溶剂的体积比为1 : 1 ~ 1 : 4，溶剂为 N,N 二甲基甲酰胺、异丙醇、乙醇中的任一种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）的壳层纺丝液中助纺剂的质量分数为5 ~ 15%，AgNO3的质量分数为0.5 ~ 10%。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中木质素为碱木质素、脱碱木质素、木质素磺酸钠中的至少一种。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）的核层纺丝液中助纺剂的质量分数为5 ~ 10%，木质素的质量...

【专利技术属性】
技术研发人员：许平凡，张润秋，李炼杰，罗耀发，章培昆，刘明华，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：