全介孔納米纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無機半導(dǎo)體光電材料的制備方法，特別是高純度N摻雜T12全介孔納米纖維的制備方法。
[0002]介孔材料指具有多孔結(jié)構(gòu)且孔徑在2到50納米之間的材料；at%原子數(shù)百分含量。
【背景技術(shù)】
[0003]T12是一種重要的無機半導(dǎo)體光電材料，在光催化、污水處理和太陽能電池等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于T12是一種典型的寬禁帶半導(dǎo)體(Eg = 3.2eV)，致使只有波長小于387nm的紫外光照射下才具有光激發(fā)活性，而這部分光能僅進(jìn)占到地面上太陽能量的3%?5%，太陽能利用率非常低，極大的限制了 T12材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和推廣。研究表明，通過摻雜可以有效的縮小T12的禁帶寬度，拓寬其光響應(yīng)范圍，其中N摻雜T12受到了普遍的關(guān)注。早在2001年，Asahi和他的合作者們在Science上報道了以NH3/Ar的混合氣體作為氮源，對商品T12進(jìn)行600°C高溫氮化，使T1 2的禁帶寬度變窄，而且在不降低紫外光下活性的同時，使其具有可見光活性，自此掀開了 N摻雜改性Ti02的研究熱潮。目前制備N摻雜T12的方法主要有濺射法、鈦醇鹽水解法、高溫焙燒法、脈沖激光沉積法、溶膠-凝膠法、機械化學(xué)法和加熱含鈦和氮的有機前驅(qū)體法等。
[0004]—維介孔結(jié)構(gòu)的納米材料，如全介孔納米纖維相比傳統(tǒng)的體材料，其典型的一維納米結(jié)構(gòu)和介孔構(gòu)造賦予其獨特的高表面積和高度有序的孔道，顯示出更加廣泛的應(yīng)用前景。然而，上述提到的幾種制備N摻雜T12的方法很難獲得具有高純度一維介孔結(jié)構(gòu)的納米材料，其應(yīng)用仍然具有局限性。因此，探索一種有效制備高純度N摻雜T12全介孔納米纖維的方法成為了一個亟需解決的研究議題。
[0005]近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染尤其是水體污染成為了目前人類亟需解決的問題之一。光催化作為一種的有效的氧化技術(shù)，在污水處理，分解各類生物難降解的有毒物質(zhì)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。光催化技術(shù)的核心是高效光催化劑的開發(fā)，其中T12是最具代表性的光催化劑之一，因其無毒、良好的化學(xué)穩(wěn)點性和無二次污染等優(yōu)點，受到了研究者們的普遍關(guān)注。然而，從實際應(yīng)用的角度考慮，傳統(tǒng)的打02光催化劑仍然存在以下幾個問題:1)光譜響應(yīng)范圍<380nm，無可見光相應(yīng)，太陽能利用率很低；2)商業(yè)的納米粉體光催化劑在液相體系下極易團(tuán)聚，光催化穩(wěn)定性差且難以分離和回收；3)比表面積較低，對光催化參與物的吸脫附能力差，光催化效率較低。
[0006]針對于T12光催化劑存在的以上問題，研究者們做了大量的探索，其中對其進(jìn)行N摻雜可以顯著拓寬T12的光響應(yīng)范圍到可見光區(qū)間，太陽能利用率大幅度增加。此外，一維全介孔結(jié)構(gòu)的T12納米纖維材料由于其獨特的幾何結(jié)構(gòu)和高比表面積，賦予其高效且穩(wěn)定的光催化活性。因此，如果能夠制備全介孔結(jié)構(gòu)的N摻雜T12納米纖維將有望解決T1 2光催化劑所存在的問題。但是，大量的研究工作往往只能解決其中的一個問題，如合成的N摻雜T12光催化劑仍存在穩(wěn)定性差和比表面積低等劣勢，光催化效率的提高具有局限性，N摻雜T12全介孔納米纖維高效可見光光催化劑的研發(fā)仍然面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決上述問題，本發(fā)明公開的高純度N摻雜1102全介孔納米纖維的制備方法，工藝簡單，生產(chǎn)方便，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好，納米纖維具有穩(wěn)定有序的表面介孔結(jié)構(gòu)，靈敏度尚O
[0008]本發(fā)明公開的高純度N摻雜T12全介孔納米纖維，納米纖維主要組成元素為T1、O和N，
[0009]其中T1、O元素在納米纖維中的主要表現(xiàn)形式為T12, N為摻雜元素(納米線中N元素?fù)诫s量為0_2at% )；
[0010]納米纖維具有多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔結(jié)構(gòu)的孔包括介孔。
[0011]本發(fā)明公開的高純度N摻雜T12全介孔納米纖維的一種改進(jìn)，納米纖維具有多孔結(jié)構(gòu)且多孔結(jié)構(gòu)的孔均為介孔。
[0012]本發(fā)明公開的高純度N摻雜1102全介孔納米纖維的一種改進(jìn)，具有介孔結(jié)構(gòu)的納米纖維的比表面積為45-55m2/g，介孔的孔徑平均為3-20nm。
[0013]本發(fā)明公開的高純度N摻雜1102全介孔納米纖維的制備方法，包括如下步驟，
[0014]I)、前軀體紡絲液的配置:將聚乙烯吡咯烷酮、鈦酸丁酯、偶氮二甲酸二異丙酯和尿素溶解于無水乙醇和冰醋酸混合溶劑中形成均勻前軀體紡絲液；
[0015]2)、前軀體納米線制備:將步驟I)得到的前軀體紡絲液經(jīng)紡絲得到前軀體納米線；
[0016]3)、納米線的制備:將步驟2)得到的前軀體納米線經(jīng)高溫煅燒即可獲得高純度N摻雜T12全介孔納米纖維。以尿素為氮摻雜原料，含氮量較高，使用方便，安全性好，操作過程中無需考慮分布不均勻的問題，可在煅燒分解的過程中實現(xiàn)對1102基質(zhì)摻雜N的目的；
[0017]本發(fā)明公開的高純度N摻雜T12全介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟2)中前驅(qū)體紡絲液經(jīng)靜電紡絲得到前軀體納米線，其中靜電紡絲的場強小于等于lKV/cm。靜電紡絲以注射器的金屬針頭(注射針管)為陽極，接收用鐵絲網(wǎng)為陰極，注射速度(單針注射速度，即每一個注射針管)為lmL/h。
[0018]本發(fā)明公開的高純度N摻雜T12全介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟2)中得到的前軀體納米線還經(jīng)過干燥處理后再進(jìn)行高溫煅燒，干燥處理為低溫烘干或者室溫陰干。
[0019]本發(fā)明公開的高純度N摻雜T12全介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，低溫烘干為前軀體納米線在50-80°C下進(jìn)行8-14小時干燥處理。
[0020]本發(fā)明公開的高純度N摻雜T12全介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，室溫陰干為前軀體納米線在室溫條件下通風(fēng)干燥16-24小時，通風(fēng)風(fēng)速為l-2m/s。
[0021]本發(fā)明公開的高純度N摻雜T12全介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟3)中高溫煅燒為在煅燒溫度300-600°C下保溫煅燒l_3h。煅燒時達(dá)到煅燒溫度之前納米線的升溫速度為2-4°C /min,以使原有或者受熱過程中產(chǎn)生的低揮發(fā)份充分揮發(fā)，有利于納米線形成致密穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
[0022]本發(fā)明公開的高純度N摻雜T12全介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟3)中高溫煅燒為在空氣環(huán)境下進(jìn)行。
[0023]本發(fā)明公開的高純度N摻雜T12全介孔納米纖維的制備方法的一種改進(jìn)，步驟I)中前驅(qū)體紡絲液配置時以每IgPVP為基準(zhǔn)，將PVP與3-6g鈦酸丁酯共同溶于無水乙醇和冰醋酸混合溶劑中成均勻溶液后(攪拌6-8小時后)，再同樣以PVP為基準(zhǔn)加入0-2g偶氮二甲酸二異丙酯和O-1g尿素(攪拌1-2小時后)成均勻的前軀體紡絲液。
[0024]高純度N摻雜1102全介孔納米纖維在可見光光催化劑中的應(yīng)用；特別是用于羅明丹B (RhB)降解的檢測和分析。
[0025]本發(fā)明方案中PVP在煅燒處理的過程中分解完全揮發(fā)；ΤΒ0Τ提供Ti源供1102合成；DIPA為發(fā)泡劑，在煅燒處理的過程中分解釋放出大量的氣體實現(xiàn)對纖維基體造孔的目的；尿素具有高的含N量，在煅燒處理的過程中實現(xiàn)對T12摻雜N元素的目的；調(diào)控原料成分，如發(fā)泡劑DIPA與尿素是否添加到前驅(qū)體紡絲液中，探討對高純度N摻雜1102全介孔納米纖維材料制備的影響。
[0026]本發(fā)明中實現(xiàn)了高純度N摻雜1102全介孔納米纖維的制備，具有操作工藝簡單可控，實用性強，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，同時N摻雜納米纖維品質(zhì)穩(wěn)定，成本低廉，靈敏度高的優(yōu)點。
【附圖