/c复合纤维光催化剂及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于包含金属的催化剂制备领域，具体涉及一种Ta3N5/C复合纤维光催化剂及其制备方法。
【背景技术】
[0002]光催化技术是一种在环境、能源等领域有着重要应用前景的绿色技术。目前，推动光催化技术发展的核心是研宄开发出高效、稳定、易回收的可见光光催化剂。Ta3N5是一种窄能带隙的半导体(2.leV)，可以利用波长达600nm的太阳光，主要应用于废水处理、空气净化及光催化产氢等领域，引起了科学工作者的广泛关注。目前，科研工作者已经开发出纳米尺寸的Ta3N5 (纳米颗粒、花状超分子结构、空心球等)光催化剂，但是纳米尺寸的Ta3N5面临两大核心问题，其一，是Ta3N5禁带宽度为2.leV，属于窄禁带半导体材料，光生电子和空穴复合几率较高，导致材料的量子产率低，严重制约了其光催化活性。其二，由于纳米尺寸催化剂不易回收，影响了其循环使用等，甚至造成二次污染。这些因素严重阻碍了催化剂的实际应用。因此，如何提高Ta3N5的光催化效率和可回收性成为当前环境光催化领域研宄的重要课题之一。
[0003]Li等采用静电纺丝技术开发了易回收且催化活性高的Ta3N5-Pt异质结纤维(S.J.Li, et.al, Scientific report 2014，4，3978)，然而，贵金属 Pt 相对成本较高。此外，碳材料与半导体复合可以有效提高半导体的光催化活性及稳定性。中国专利申请“一种石墨烯/Ta3N5复合光催化剂的制备方法”(申请号:201410312816.8，公布号:CN 104043471A)公开的制备方法中，基于静电纺丝法得到Ta3N5纳米纤维，再通过熔剂热法制备得到由石墨稀包裹的Ta3N5短纤维复合光催化剂。然而，该方法中，将Ta3N5与石墨稀复合，一方面石墨烯成本相对较高，另一方面，实现二者的均匀复合制备技术操作相对复杂。更重要的是，该方法中，得到的石墨烯包裹的Ta3N5复合催化剂中，Ta 3N5纤维在与石墨烯制备过程断裂变成较短的纤维(长度仅为0.5-1 ym)。
[0004]基于以上考虑，光催化领域的科研实践中，亟需一种采用静电纺丝法和水热法和煅烧相结合的制备方法，制备出开发低成本、催化活性高、性质稳定、易回收的Ta3N5/C复合纤维光催化剂。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种Ta3N5/C复合纤维光催化剂及其制备方法；该方法采用静电纺丝法结合水热法、煅烧制备得到Ta3N5/C复合纤维光催化剂。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0007]—种Ta3N5/C复合纤维光催化剂的制备方法，包括下述步骤:
[0008]Ta3N5纺丝液制备步骤:将可溶性钽盐加入高分子溶液中，进行搅拌处理2?12h，得到所述Ta3N5纺丝液；
[0009]Ta2O5纤维制备步骤:将所述Ta 3N5纺丝液进行静电纺丝处理，得到复合纤维；再将所述复合纤维进行煅烧处理，得到所述Ta2O5纤维；
[0010]Ta3N5纳米纤维制备步骤:将所述Ta 205纤维进行氮化处理，得到Ta 3N5纳米纤维；
[0011]水热反应混合体系制备步骤:将所述Ta3N5纳米纤维加入到碳源溶液中，进行搅拌处理，得到所述水热反应混合体系；
[0012]水热反应和后续处理步骤:将所述水热反应混合体系进行水热反应，得到水热反应产物；将所述水热反应产物进行离心处理、水洗处理、烘干处理，得到烘干后产物。
[0013]煅烧步骤:将所述烘干后产物进行煅烧处理，得到Ta3N5/C复合纤维光催化剂。
[0014]以上制备方法的优选的实施例中，所述Ta3N5纺丝液制备步骤中，所述高分子溶液中由聚乙烯吡咯烷酮、无水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺和乙酸混合制成，所述聚乙烯吡咯烷酮、无水乙醇、N, N-二甲基甲酰胺和乙酸的体积比为(3?4):1:1，优选为3:1:1 ;
[0015]所述Ta3N5纺丝液中，所述PVP的质量百分比浓度为5?10wt% ;所述可溶性钽盐的质量百分比浓度为5?15wt%，优选为1wt % ；
[0016]进一步优选地，所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为1300000。
[0017]以上制备方法的优选的实施例中，所述Ta3N5纺丝液制备步骤中，所述可溶性钽盐为丁醇钽、乙醇钽、五氯化钽、异丙醇钽、硫酸钽中的一种或几种。
[0018]以上制备方法的优选的实施例中，所述Ta2O5纤维制备步骤中，所述煅烧处理中，温度为500?800°C，时间为2?15h。
[0019]以上制备方法的优选的实施例中，所述Ta3N5纳米纤维制备步骤中，所述氮化处理的温度为750?900°C，时间为4?15h ;所述氮化处理在氨气氛围中进行。
[0020]以上制备方法的优选的实施例中，所述水热反应混合体系制备步骤中，所述水热反应混合体系中的所述Ta3N5纳米纤维的含量为I?25g/L ;所述碳源溶液的浓度为0.05?0.5mol/L ；
[0021]优选地，所述碳源为葡萄糖和木糖中的一种或两种。
[0022]以上制备方法的优选的实施例中，所述水热反应和后续处理步骤中，所述水热反应在聚四氟乙烯材质的反应釜中进行，所述水热反应混合体系在所述反应釜中的填充度为60-90%，优选为 80%。
[0023]以上制备方法的优选的实施例中，所述水热反应和后续处理步骤中，所述水热反应的温度为160?200°C，时间为8?24h。
[0024]以上制备方法的优选的实施例中，所述煅烧处理步骤中，温度为500?900°C，升温速率为I?5°C /min，时间为I?10h，在氮气或氩气保护下进行。
[0025]以上制备方法及其优选的实施例得到的Ta3N5/C复合纤维光催化剂，其形貌特征为:所述Ta3N5纳米纤维的表面均匀被一层C膜包裹，形成Ta3N5/C纳米纤维结构。
[0026]相比现有技术，本发明具有如下有益效果:
[0027]1、本发明所制备的Ta3N5/C复合纤维光催化剂，C膜均匀包裹Ta3N5纳米纤维，形成良好的异质结，有效抑制的光生电子和空穴的复合，提高了 Ta3N5的光催化活性及稳定性能，同时具有易回收的特性，是一种优良的光催化材料，在环境和能源等领域具有重要应用价值。
[0028]2、本发明的制备方法中，先采用静电纺丝法得到Ta3N5纳米纤维，然后通过水热法反应制备得到Ta3N5/C复合纤维光催化剂；该制备方法使C膜均匀包裹Ta3N5纳米纤维，二者复合均匀、充分，利于提高光催化活性。
[0029]3、本发明的制备方法中，在水热反应混合体系中控制加入Ta3N5纳米纤维和C源的比例，可以控制Ta3N5/C复合纤维光催化剂C膜的厚度，可控性强。
[0030]4、本发明的制备方法简单，设备和其他成本相对廉价，试验条件可控，有利于规模化生产制备。
[0031 ] 5、本发明制备的Ta3N5/C复合纤维保持了超长的Ta3N5纤维结构，直径为150-300nm，长度为60-100 μ m，具有较高的光催化活性，性质稳定，容易回收。
【附图说明】
[0032]图1是本发明中制备的Ta3N5/C复合纤维光催化剂的扫描电镜(SEM)图片。
[0033]图2是本发明中制备的Ta3N5/C复合纤维光催化剂的TEM图片。
[0034]图3是可见光照射下的实施例1、2、3制备的Ta3N5/C复合纤维光催化剂对MB溶液的单次光催化降解曲线图。
[0035]图4是可见光照射下的实施例2制备的Ta3N5/C复合纤维光催化剂对MB溶液的4次循环光催化降解曲线图。
【具体实施方式】
[0036]一种Ta3N5/C异质结纤维光催化剂的制备方法，包括下述步骤:
[0037]步骤一、制备Ta3N5纺丝液:将可溶性钽盐加入高分子溶液中，进行搅拌处理2?12h，得到Ta3N5纺丝液。
[0038]该高分子溶液中，含有聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、无水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺、乙酸，其中，该无水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺和乙酸的体积比为(3?4):1:1(示例性地，也可以为3.2:1:1,3.5:1:1,3.8:1:1，4:1:1中的任意比例，优选为3:1:1) 3_PVP的分子量为 1300000 ；
[0039]该Ta3N5纺丝液中，该PVP的质量百分比浓度为5?10wt% (示例性地，可以为5wt%、6wt%、8wt%、10wt%等中任意值或任意两者之间的范围)，该可溶性钽盐的质量百分比浓度为5?15wt% (示例性地，可以为5wt%、8wt%、1wt% > 12wt%、15界1:%等中任意值或任意两者之间的范围，优选为10wt% );
[0040]该可溶性钽盐为丁醇钽、乙醇钽、五氯化钽、异丙醇钽、硫酸钽中的一种或几种。
[0041]步骤二、制备Ta2O5纤维:将该Ta3N5纺丝液进行静电纺丝处理，条件为:工作电压(直流电)8?25kV，工作距离(即喷头尖端与接收器的距离)10?25cm，纺丝溶液的推进速度(即推进器的推进速度)为:0.1?lmL/h，注射器针头内径为0.6?1.2mm ;制得复合纤维；
[0042]再将该复合纤维于管式炉中进行500?800°C (示例性地，可以为500°C、700°C、800°C等中任意值或任意两者之间的范围，优选为600°C )煅烧处理2?15h(示例性地，可以为2h、5h、8h、10h、12h、15h等中任意值或任意两者之间的范围，优选为6h)，得到Ta2O5纤维。
[0043]步骤三、制备Ta3N5纳米纤维:将该Ta2O5纤维置于管式炉中，于750?900°C (示例性地，可以为750°C、850°C、900°C等中任意值或任意两者之间的范围，优选为800°C )，在氨气氛围进行氮化处理4?15h (示例性地，可以为4h、6h、10h、12h、15h等中任意值或任意两者之间的范围，优选为