一种铁酸铜/碳纳米纤维膜及其制备方法、应用与流程

文档序号：11723134阅读：406来源：国知局

本发明涉及材料领域，具体而言，涉及一种铁酸铜/碳纳米纤维膜及其制备方法、应用。

背景技术：

电芬顿技术作为一种高效、环境友好的电化学高级氧化技术，近些年发展快速。但以铁盐为均相催化剂的常规电芬顿体系存在一些缺陷，传统异相电芬顿体系中电芬顿催化剂损失、难以回收。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铁酸铜/碳纳米纤维膜及其制备方法、应用，其旨在改善现有的电芬顿催化剂难以回收的问题。

本发明提供一种技术方案：

一种铁酸铜/碳纳米纤维膜的制备方法，其包括：

向聚合物与n，n-二甲基甲酰胺的混合物中加入铜盐、铁盐，混合得到静电纺丝溶液。将静电纺丝溶液进行静电纺丝，得到金属盐/聚合物纤维膜，将金属盐/聚合物纤维膜热处理，退火即得到铁酸铜/碳纳米纤维膜。其中，聚合物为聚丙烯腈或聚乙烯吡咯烷酮，铜盐与铁盐的摩尔比为1.8-2.2:1。

本发明还提供一种由上述铁酸铜/碳纳米纤维膜的制备方法制成的铁酸铜/碳纳米纤维膜，以及上述铁酸铜/碳纳米纤维膜作为电芬顿催化剂的应用。

本发明实施例提供的一种铁酸铜/碳纳米纤维膜及其制备方法、应用的有益效果是：该铁酸铜/碳纳米纤维膜可以将异相电芬顿催化剂中的金属固定在纤维膜内部，不会溢出以造成二次污染，避免了传统异相电芬顿过程中催化剂损失和回收困难问题。且该合成方法实施简便、成本较低，具有一定的经济和社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1制得的铁酸铜/碳纳米纤维膜的扫描电镜图；

图2为本发明实施例1制得的铁酸铜/碳纳米纤维膜的x-射线衍射图；

图3为本发明实施例1制得的铁酸铜/碳纳米纤维膜作为电芬顿催化剂降解罗丹明b的效果图；

图4为本发明实施例2制得的铁酸铜/碳纳米纤维膜作为电芬顿催化剂降解洛克沙胂的效果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的一种铁酸铜/碳纳米纤维膜及其制备方法、应用进行具体说明。

一种铁酸铜/碳纳米纤维膜的制备方法，其包括：

以聚合物聚丙烯腈(pan)或者聚乙烯吡咯烷酮(pvp)作为碳纳米纤维前驱体，n，n-二甲基甲酰胺作为助剂，静电纺丝溶液混合有铜盐、铁盐。采用静电纺丝技术结合碳化处理或高温煅烧法，制备多孔铁酸铜/碳纳米纤维膜。静电纺丝作为高分子流体静电雾化的特殊形式，将静电纺丝溶液雾化分裂出，将聚丙烯腈(pan)以及金属盐的溶液以微小的射流固化成纤维，静电纺丝成金属盐/聚丙烯腈纤维。

在本发明较佳的实施例中，混合聚合物与n，n-二甲基甲酰胺，于50℃溶解制得上述混合物。铜盐、铁盐加入上述混合物中，静电纺丝之后得到金属盐/聚丙烯腈纤维。

在本发明较佳的实施例中，上述聚合物与n，n-二甲基甲酰胺的混合物中，聚合物的质量分数为8～12％。

静电纺丝液具有一个最小浓度，低于这个临界浓度，聚合物溶液射流在表面张力的作用下，会断裂成液滴，形成微珠、串珠。只有达到高于分子缠结发生所要求的最小浓度后，高分子溶液射流才能在电场力作用下有效发生牵伸并形成纤维。从制备纳米级别的连续均匀纤维以及可纺性角度考虑，在本发明的实施例中，聚合物的质量分数为8～12％。进一步地，聚合物的质量分数为10％。

在本发明较佳的实施例中，上述静电纺丝溶液中，铜盐与铁盐的总质量与聚合物的质量比为1-2:2。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述铁盐选自于乙酰丙酮铁、硝酸铁、氯化铁中的一种；铜盐选自于氯化铜、乙酰丙酮铜、硝酸铜中的一种。

静电纺丝溶液中含有铁盐和铜盐，静电纺丝、热处理、退火之后得到铁酸铜/碳纳米纤维膜，发明人利用该铁酸铜/碳纳米纤维膜作为电芬顿催化剂，发现铁泥几乎不析出。

此外，该铁酸铜/碳纳米纤维膜可以将电芬顿催化剂中的金属固定在纤维膜内部，不会溢出以造成二次污染。

在本发明较佳的实施例中，上述的静电纺丝的电源电压为15～20kv，接收距离为11～15cm，静电纺丝溶液的推进速度为1～3ml/h。

随着电场力的增大，静电纺丝液滴被拉长，其曲面曲率将逐渐改变，半球状液滴会转变为锥形，喷丝稳定，得到光滑的纤维。接受距离于11～15cm范围内时，纤维外观得以改善。这可能是纤维溶剂挥发与拉伸过程变长，有利于成纤。

在本发明较佳的实施例中，上述热处理步骤于260-280℃处理60-120min，退火步骤于680-720℃退火60-120min。

优选地，上述热处理步骤于空气气氛中进行，退火步骤于氩气或氮气的气氛中进行。

pan纤维氧化是制备碳纤维的关键阶段，为pan纤维在氧化过程中发生环化反应、脱氢反应和氧化反应。

pan纤维是线性高分子，它的耐热性较差，直接在高温下碳化会分解，不容易制得碳纤维。一般在温度较低的含氧气氛中加热pan纤维，氧会促进pan线性分子结构发生变化，生成带有共轭环的梯形结构，提高pan纤维的热稳定性，然后再经高温碳化处理得到碳纤维。

在本实施例中，260-280℃下使pan纤维氧化，发生环化反应、脱氢反应和氧化反应。氧化温度过高会造成pan纤维的过氧化，破坏梯形聚合物的分子结构，限制碳化阶段碳基平面长度和堆积高度的形成；氧化温度过低会带来氧化不充分，氧化纤维在碳化阶段易发生熔并，导致碳纤维性能降低。所以，在本发明中，260-280℃下对金属盐/聚丙烯腈纤维进行氧化60-120min。

在680-720℃下使氧化后的pan纤维碳化，得到纳米结构的碳纤维。

优选地，在本实施例中，pan纤维的氧化在空气气氛中进行，pan纤维碳化于氩气或氮气的气氛中进行。

本发明还提供一种由上述铁酸铜/碳纳米纤维膜的制备方法制成的铁酸铜/碳纳米纤维膜。

进一步地，本发明提供的铁酸铜/碳纳米纤维膜作为电芬顿催化剂。

以本发明提供的铁酸铜/碳纳米纤维膜作为催化剂，以铂电极为阳极，石墨电极为阴极，构建电芬顿氧化体系降解废水中难生物降解的有机污染物。例如，对罗丹明b、洛克沙胂进行降解。

进一步地，将铂电极和石墨电极固定在电极支架上调节好位置，使两电极平行以此使电压稳定。放入铁酸铜/碳纳米纤维膜再插入气体流量计使气体喷在阴极电极，对废水进行降解。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1