[發明專利]一種碳纖維負載二氧化鈦納米薄片的制備方法

無效

• 申請號: 201210596035.7
• 申請日: 2012-12-25
• 公開（公告）號: CN103055835A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 呂曉瑩;王濱
• 申請（專利權）人: 呂曉瑩;王濱
• 主分類號: B01J21/06
• 分類號: B01J21/06;B01J35/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及光催化劑領域，尤其涉及一種碳纖維負載二氧化鈦納米薄片的制備方法。

背景技術

光催化技術應用于環境科學和新能源發展是目前的熱門課題之一。在眾多光催化劑中，二氧化鈦(TiO₂)被公認是最有發展潛力的光催化劑，實際應用比較廣泛的是商品化的Degussa?P25。由于二氧化鈦的禁帶寬度比較大(銳鈦型E_g＝3.2eV)，只能被波長小于380nm的紫外光激發，但是紫外光只占太陽光的4～5％。同時，光催化反應過程中產生的電子和空穴很容易復合，直接導致光催化活性降低。目前制備的二氧化鈦催化劑主要是粉末型，比如納米顆粒，納米管，納米空心球。但是，最新研究表明納米顆粒對生物細胞具有毒性，它可能對環境造成嚴重危害。因此，粉末型光催化劑不僅難從溶液中回收循環使用，而且納米粉末容易對環境造成二次污染。因此，制備高效的負載型納米二氧化鈦對于大規模實際應用和商業化具有重要意義。

目前，將納米二氧化鈦固定在各種載體已經有報道，比如，中國專利CN?101187043?A公開了利用陽極氧化法在金屬鈦或者鈦合金上直接生長納米管結構二氧化鈦，中國專利CN?102153289?A報道了利用水熱法在FTO導電玻璃上負載納米二氧化鈦薄片。但是，這些載體比較僵硬，不僅制備過程復雜，而且成本比較昂貴，限制了光催化技術的大規模實際應用。碳纖維是一種黑色的柔性導電材料，具有強度高、密度低、熱穩定性好、化學惰性強、導電率高等特點，特別適合作為光催化劑載體。因此，它不僅有利于光催化劑的回收循環使用，而且可以提高光吸收效率、光電子與空穴的分離以及提升對有機污染物的吸附性能，從而達到提高光催化活性的目的。中國專利CN?102465442?A，CN?102641731?A，CN?101250811?A和CN?1803291?A公開了碳纖維負載二氧化鈦材料的制備方法。但是，這些制備方法不僅過程復雜而冗長，而且沒有關注二氧化鈦的形貌、晶型及微觀結構，這將嚴重影響了其光催化活性。最近研究發現二氧化鈦納米薄片的[001]面具有特別高的反應活性。

近年來，制備碳纖維負載新型納米結構的二氧化鈦已經有報道。Guo等人報道了利用鈦片采用水熱合成法制備碳纖維二氧化鈦納米棒(J.Am.Chem.Soc.，2012，134(9)，4437-4441)，他們還報道了利用鈦酸丁酯和氫氟酸制備碳纖維負載二氧化鈦納米薄片的方法(Adv.Mater.，2012，24(35)，4761-4764)。但是，將金屬鈦片作為前驅體制備二氧化鈦的成本較高。同時，由于氫氟酸具有強揮發性、腐蝕性和劇毒性，在使用過程中需要極其小心謹慎，將其作為工業原料容易帶來生產安全隱患。因此，開發低成本且避免使用揮發性劇毒原料的制備碳纖維負載二氧化鈦納米薄片仍是一個技術難題。

本發明公開一種碳纖維負載二氧化鈦納米薄片的制備方法，使用氟硼酸鹽作為形貌控制劑，制備工藝安全性與可操作性強，所制備的材料可以廣泛應用于光催化降解有機污染物及染料敏化太陽能電池等領域。

發明內容

本發明針對上述現有技術所存在的不足之處，旨在提供一種制備方法簡單，安全性與可操作性好，適合于大規模工業化制備碳纖維負載二氧化鈦納米薄片的方法。

本發明主要是將碳纖維與二氧化鈦前驅體溶液直接混合，在酸性條件下以氟硼酸鹽為形貌控制劑，通過一步法水熱制備碳纖維負載二氧化鈦納米薄片。在密閉的高溫高壓反應釜中，強酸性條件可以對碳纖維進行活化，在碳纖維的表面生成較多的含氧官能團(比如：-COOH，-OH)，這些活性位有利于二氧化鈦納米薄片的固定。因此，碳纖維的活化和二氧化鈦的生長與固定是同步完成的。

具體制備方法如下：

將碳纖維、鈦源、氟硼酸鹽、鹽酸、去離子水加入到帶有聚四氟乙烯內襯的反應釜中混合均勻，其中各組分的摩爾比是1∶(1～5)∶(1～10)∶(10～100)∶(100～1000)。將反應釜放置于150～200℃恒溫箱中反應4～24小時。反應結束后，將產物洗滌、干燥后即可制得碳纖維負載二氧化鈦納米薄片。

所述的氟硼酸鹽為下述的一種或者幾種：氟硼酸鈉或氟硼酸鉀。

所述的鈦源為下述的一種或幾種：鈦酸丁酯、鈦酸異丙醇酯或四氯化鈦。

所述的碳纖維、鈦源、氟硼酸鹽、鹽酸、去離子水的摩爾比是1∶(1～5)∶(1～10)∶(10～100)∶(100～1000)。

所述的反應溫度是150～200℃，反應時間是4～24小時。

本發明與現有技術相比具有如下優點：