全介孔纤维材料高效光催化剂的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种光催化剂，特别是一种BiV04全介孔纤维材料高效光催化剂。
【背景技术】
[0002]随着经济的不断发展，环境污染的日益加剧已经严重制约了人类经济和社会的可持续发展，如何解决环境污染问题成为了全球共同关注的热点问题之一。作为一个可行和理想的解决环境问题的策略，半导体光催化技术来降解有机物已经吸引了成为了研究热点。光催化技术是利用半导体光催化剂吸收太阳能降解有毒的污染物，具有反应条件温和、无二次污染和成本低廉等优点，成为了解决环境问题的一个重要技术手段。钒酸铋(BiV04)一维纳米材料因其具有无毒、化学稳点性好、及其特定的几何形态在构筑纳米电子器件领域担当重要的角色。全介孔结构的BiV04纳米纤维在继承传统一维纳米材料优点的同时，又具备独特的高比表面积和大孔容性质，在催化、能源、传感、医疗等领域，具有更加广泛的应用价值。
[0003]光催化技术的核心是光催化剂的研制，其中传统静电纺丝BiV04纳米纤维是作为光催化剂，因其无毒、便宜和量产大等优点而受到了研究者们的青睐。然而，在实际应用中，有两个问题仍然制约着传统BiV04纳米纤维光催化剂的广泛应用:1)光催化反应中光生电子-空穴对易复合，光催化效率较低;2)传统的BiV04纳米纤维光催化剂存在比表面积偏低，导致在液相光催化体系下无法与污染物充分接触，无法保证稳定高效的光催化活性。
[0004]自从太阳能清洁能源的使用得到广泛关注以来，可见光催化剂的发展就得到越来越多的重视。因此，寻找一种具有更高光催化活性且能够在日常生活中具有较大使用价值的光催化剂成为当今世界上光催化剂发展的一个重要方向。目前，二氧化钛光催化剂被认为是一种具有良好光催化性能的光催化剂，其在光解有机污染物和太阳能电池领域已经取得良好的应用。然而由于其仅能在紫外光区域下才具有光催化活性，故增加了其应用的局限性。钒酸铋是一种新型的可见光催化剂，其不仅在紫外光区域中拥有良好地光催化活性，而且在可见光下能够发生光催化反应。但其也拥有诸多缺点，因为钒酸铋的导带较低，其不能满足可见光水解反应中H+的还原电位，因为钒酸铋在光催化反应中电子与空穴结合速率快，电子传输速度较慢，从而影响了钒酸铋的光催化活性。
[0005]与传统的无介孔静电纺丝BiV04纳米纤维相比，一维BiV04全介孔纳米纤维拥有很多优良的特点，例如，全介孔结构的纳米纤维光催化剂具有典型的中孔构造和一维结构，赋予其高比表面和稳定的几何结构，在光催化反应中能够保持高效稳定的光催化活性。在纤维内部，介孔纤维拥有很多的介孔通道，在液相光催化降解体系下，将会有更多的污染物负载在纤维介孔通道上，促使光降解反应及时进行，降低了光催化反应中光生电子-空穴对易复合，这会极大地提高光催化效率。因此，基于以上讨论，如能探索一种有效的方法制备全介孔BiV04纳米纤维光催化剂，将有望解决目前传统的无介孔静电纺丝BiV04纳米纤维光催化剂存在的主要问题，有力推动光催化技术在污染物降解领域的应用。
[0006]然而，从实际应用和商业化的角度考虑，全介孔结构的BiV04纳米纤维仍然需要进一步优化调控，以求通过方便快捷的技术获得性能得到强化的BiV04材料。近期研究报道表明，一维全介孔结构的BiV(k纳米材料具有低密度以及较大的比表面积等新颖特性，因而如果能够有效地在制备全介孔BiV04纤维的同时，实现对全介孔一维纤维材料制备的调控，将协同提高BiV04材料的渗透性和吸附性，作为催化剂如光催化剂等领域具有十分诱人的应用前景。
【发明内容】
[0007]为解决上述问题，本发明公开了一种BiV04全介孔纤维材料高效光催化剂，提供了一种具有较高规整结晶性的BiV04纤维材料，具有良好的微孔分布性，同时具有良好的微孔结构精细可控性。并且其加工方法具有安全性好，成本可控性好，对产品的加工可控性好，对微孔的分布和尺寸调节能够实现精细调控，得到的催化剂具有高效的光催化活性。
[0008]本发明公开的BiV04全介孔纤维材料高效光催化剂，包括纤维材料，纤维材料其组成元素包括B1、V、0三种元素，维材料表面具有多孔结构，纤维材料中包括单斜Bi V04晶体。
[0009]本发明公开的BiV04全介孔纤维材料高效光催化剂的一种改进，纤维材料为单斜BiV04材料。
[0010]本发明公开的BiV04全介孔纤维材料高效光催化剂的一种改进，纤维材料具有所以孔均为的介孔多孔结构。
[0011]本发明公开的BiV04全介孔纤维材料高效光催化剂的一种改进，纤维材料的制备方法，包括如下步骤，1)、前躯体纺丝液制备;2)、前躯体纤维制备;3)、热解制备全介孔纤维材料；
[0012]其中，步骤3)热解制备全介孔纤维材料为将步骤2)制得的前躯体纤维在空气环境下煅烧。本方案为了提高BiV04材料的结晶度，从而选用在空气气氛下进行煅烧处理。
[0013]本发明公开的BiV04全介孔纤维材料高效光催化剂的一种改进，步骤1)中前躯体纺丝液制备为将原料(以占混合溶剂总量的质量百分比计量)8-12%聚乙烯吡咯烷酮、15-18%五水合硝酸铋、8-10 %乙酰丙酮氧钒和偶氮二甲酸二异丙酯溶于N-N 二甲基甲酰胺、无水乙醇和冰醋酸混合溶剂中形成混合溶液，其中偶氮二甲酸二异丙酯在混合溶液中含量为0-20wt%。本方案中PVP调控纺丝液的粘度且将在煅烧处理的过程中分解完全挥发；Bi(N03)3.5H20提供Bi源;VO(acac)2提供V源;DIPA为发泡剂，在煅烧处理的过程中释放出大量的气体实现对纤维基体造孔的目的;DMF作用为乙酰丙酮氧钒的溶剂；乙醇作用为五水合硝酸铋的溶剂;冰醋酸共同作为溶剂的同时，也为静电纺丝溶液提供了醋酸根离子以提高可纺性能，从而在纺丝的过程中，由于静电力的作用发泡剂(DIPA)均匀地分布于前驱体内部，经煅烧处理后分解挥发供全介孔结构的形成;随着发泡剂含量的不同，最终形成不同内部结构的BiV04全介孔纳米纤维材料。发泡剂添加过少，纤维虽然具有介孔结构，但是形貌和结构不是太好，且不易获得全介孔纤维，而发泡剂添加过大，则易导致纤维破裂，难以保持较好的纤维结构。
[0014]本发明公开的BiV04全介孔纤维材料高效光催化剂的一种改进，步骤1)中前躯体纺丝液制备为将原料聚乙烯吡咯烷酮、五水合硝酸铋、乙酰丙酮氧钒、偶氮二甲酸二异丙酯溶于无水乙醇和冰醋酸混合溶剂中并常温搅拌4-8小时后，再加入偶氮二甲酸二异丙酯混匀。
[0015]本发明公开的BiV04全介孔纤维材料高效光催化剂的一种改进，步骤2)中前躯体纤维制备为将前躯体纺丝液经静电纺丝得到纤维再恒温烘干，恒温烘干的温度为70-100°C。静电纺丝时接收阴极为锡箔阴极或者其它材质的导电阴极。静电纺丝时的温度为20-55°C，湿度为 15-60 %。
[0016]本发明公开的BiV04全介孔纤维材料高效光催化剂的一种改进，步骤2)中前躯体纤维制备中静电纺丝时静电场的场强为0.5-lKV/cm。
[0017]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0018]1.本发明实现了 BiV04全介孔纳米纤维材料介孔结构的调控；
[0019]2.鉴于实验方案中选用发泡剂，容易在静电力的作用被均匀地分布于前驱体内部，因而能够实现结构稳定形貌良好的BiV04全介孔纳米纤维的有效合成；
[0020]3.本发明方案中选用发泡剂，随着发泡剂的含量增加，纺丝液的粘度也会随之降低，进而需要对纺丝温度和湿度进行调控，从而达到精密控制纤维上介孔形态的目的。溶液温度对静电纺丝过程的影响表现在:升高静电纺丝的环境温度会加快射流中分子链的运动，提高了溶液的电导率;其次，升高静电纺丝的环境温度降低了溶液的粘度和表面张力，使得发泡剂添加量在5_10wt%以上在室温下不能静电纺丝的聚合物溶液，在升高环境温度以后能够进行静电纺丝。在静电纺丝过程中，射流的泰勒锥表面形成，并迅速向接收极板运动，溶剂在极短的时间内迅速挥发，射流固化成聚合物纤维。一般静电纺丝环境下，射流周围的介质均为空气，射流中溶剂与周围介质的交换是一个双扩散过程。射流表面的溶剂挥发，其内部溶剂中心向表面扩散，射流表面溶剂的挥发速度和内部扩散速度之间的竞争关系能够影响纤维的形态。因此，环境湿度对静电纺丝的纤维直径以及形貌的有很大的影响。在本发明中，随着发泡剂含量的增加，溶液的粘度不断降低，静电纺丝过程中，如果溶剂不能及时的挥发，那么会导致静电纺丝形貌的改变(如结块，球状等)。所以，随着发泡剂在静电纺丝液中的不断添加，纺丝过程中的环境温度和环境湿度的要求将不断提高。
[0021]4.本发明通过调控发泡剂的含量，能够有效实现全介孔纳米纤维的调控；
[0022]5.本工艺简单可控，具有很好的重复性，实施方便，安全性好，且操作方便，环境友好性好；
[0023]6.本发明方案得到的光催化剂具有良好的稳定性和催化性能，催化效率高。
【附图说明】
[0024]图1为本发明实施例4所制得的BiV04全介孔纳米纤维光催化剂低倍扫描电镜(SEM)图;
[0025]图2为本发明实施例4所制得的BiV04全介孔纳米纤维光催化剂高倍扫描电镜(SEM)图;