复合纳米纤维光催化剂、制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维光催化剂，同时还涉及该光催化剂的制备方法和应用，属于纳米光催化材料技术领域。
【背景技术】
[0002]近年来，T12在光催化降解污染物、光解水制氢气、太阳能电池等领域广泛应用。T12是一种宽带半导体材料，其禁带宽度为3.0eV(金红石相)和3.2eV(锐钛矿相)。半导体的禁带宽度Eg越大，对应产生的光生电子和空穴的氧化-还原电极电势越高，半导体的氧化还原能力越强，也更容易与其他物质发生反应。然而由于T12的禁带宽度大，需要较高的能量激发(如紫外光，仅占太阳光的3%?4%)，大大限制了对太阳光的利用。加之T12在紫外光激发下产生的电子和空穴在到达催化剂表面之前极易在内部发生复合，光催化效率难以有效发挥。
[0003]为提高T12对污染物的降解效率以及对太阳光的利用率，研究发现当两种半导体复合在一起形成异质结构时，有利于电子和空穴的分离，例如将Ti02、W03复合时，由于Ti02的导带比WO3更负，而WO3的价带比T12更正，在紫外光激发下T12的电子会转移至WO3上，从而提高复合催化剂的氧化还原能力和污染物降解效率。同时由于电子从价带跃迀到导带所需的能量变低，更低的能量即可激发，拓宽了T12的光谱响应范围。如公告号CN103071482A的发明专利公开了一种W03/Ti02空心复合纳米管，在T12纳米管的外壁和内壁分布有WO3纳米粒子层，制备方法为:I)制备PVP/乙酸钛复合物溶液的粘性凝胶;2)将矿物油加入凝胶中搅匀，静电纺丝法制备T12纤维，再于真空下加热升温至550°C，保温1min得到T12/非晶碳空心纳米管;3)再于真空下采用热蒸发法在T12/非晶碳空心纳米管的内外壁生长结晶碳化钨纳米粒子，加热升温至550°C，保温120min，得到Ti02/W03空心复合纳米管，该专利利用Ti02、W03在光催化反应中需要的光谱不同，将二者有机结合起来形成Ti02/W03异质结构，能提高对太阳光的利用率，加之WO3纳米颗粒均布在T12纳米管内外表面，大幅提高了材料的比表面积，能加快光催化反应速率。然而其制备工艺复杂，光催化能力还有待进一步提高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维光催化剂，以T12表面的碳层作为电子收集器，WO3作为空穴收集器，使光生载流子有效分离，从而增强光催化性能。
[0005]同时，本发明还提供一种碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维光催化剂的制备方法。
[0006]最后，本发明再提供一种碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维光催化剂的应用。
[0007]为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是:
[0008]碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维光催化剂，其制备步骤如下:
[0009]I)将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、钨酸铵、钛酸四丁酯(钛酸丁酯)加入乙醇与乙酸的混合液中，混匀后静电纺丝，得到纳米纤维毡；
[0010]2)取纳米纤维毡煅烧，得到Ti02/W03纳米纤维；
[0011]3)将Ti02/W03纳米纤维、葡萄糖、水加入反应釜中，水热反应后过滤、洗涤、干燥，gp得。
[0012]步骤I)中乙醇与乙酸的体积比为8?12:4?8，二者均为分析纯，作溶剂使用。
[0013]步骤I)中钨酸铵与钛酸四丁酯的质量比为0.05?0.15:0.5?2，钨酸铵在混合液中的质量浓度为2%?7 %。
[0014]步骤I)中静电纺丝的工艺参数为:电压10?20kV，注射器到接收板的距离为10?15cm。在电场力的作用下纳米纤维被收集在接收装置上，形成纳米纤维毡。
[0015]步骤2)中煅烧的温度为500?600°C，时间30?60min。以除去PVP和其他有机成分。
[0016]步骤3)中Ti02/W03纳米纤维、葡萄糖、水的质量比为0.02?0.05:0.1?0.5:30?50 ο
[0017]步骤3)中水热反应的温度为150?200°C，时间3?5h。
[0018]碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维光催化剂的制备方法，包括以下步骤:
[0019]I)将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、钨酸铵、钛酸四丁酯(钛酸丁酯)加入乙醇与乙酸的混合液中，混匀后静电纺丝，得到纳米纤维毡；
[0020]2)取纳米纤维毡煅烧，得到Ti02/W03纳米纤维；
[0021]3)将Ti02/W03纳米纤维、葡萄糖、水加入反应釜中，水热反应后过滤、洗涤、干燥，SP得。
[0022]步骤I)中乙醇与乙酸的体积比为8?12:4?8。
[0023]步骤I)中钨酸铵与钛酸四丁酯的质量比为0.05?0.15:0.5?2，钨酸铵在混合液中的质量浓度为2%?7 %。
[0024]步骤I)中静电纺丝的工艺参数为:电压10?20kV，注射器到接收板的距离为10?15cm0
[0025]步骤2)中煅烧的温度为500?600°C，时间30?60min。
[0026]步骤3)中Ti02/W03纳米纤维、葡萄糖、水的质量比为0.02?0.05:0.1?0.5:30?50 ο
[0027]步骤3)中水热反应的温度为150?200 °C，时间3?5h。
[0028]碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维光催化剂的应用，具体为在光催化分解水产氢方面的应用。
[0029]本发明的有益效果:
[0030]本发明通过碳来修饰Ti02/W03复合纳米纤维，以T12表面的碳层作为电子收集器，TO3作为空穴收集器，能使光生载流子有效分离，增强材料的光催化性能。加之WO3能够促进碳层的有序化和石墨化，能进一步增强其光催化性能。
[0031]本发明中碳修饰Ti02/W03光催化剂为由一维纳米纤维构成的三维网状结构，该结构能够提高光催化剂的分离回收和重复使用性。
[0032]本发明中碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维光催化剂的制备工艺简单，操作简便，适于规模化生产应用。
【附图说明】
[0033]图1为试验例I中光催化剂的紫外-可见漫反射吸收光谱图；
[0034]图2为试验例2中光催化剂的产氢速率图。
【具体实施方式】
[0035]下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
[0036]实施例1
[0037]碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维光催化剂，其制备步骤如下:
[0038]I)在1mL乙醇与6mL乙酸的混合液中加入1.1g聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀后加入0.05g钨酸铵和2mL钛酸四丁酯，在转速600rpm下搅拌12h得前驱体溶液，将其加入电纺设备(康森特1006型)中，设定高压电场电压12kV，注射器到接收板的距离15cm，在电场力的作用下纳米纤维被收集在接收装置上，形成纳米纤维毡；
[0039]2)取纳米纤维毡在温度520°C下煅烧30min，得到Ti02/W03纳米纤维；
[0040]3)将20mg Ti02/W03纳米纤维和0.45g葡萄糖加入含有30mL去离子水的水热反应釜中，于温度180°C下水热反应4h，反应完毕抽滤、洗涤、干燥，得到碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维光催化剂。
[0041 ] 取上述碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维20mg，加入到45mL去离子水和15mL甲醇的混合溶液中，在350W氣灯(上海蓝晟电子)下光照2h，光催化分解水产氢。
[0042]实施例2
[0043]碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维光催化剂，其制备步骤如下:
[0044]I)在1mL乙醇与6mL乙酸的混合液中加入1.1g聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀后加入
0.仏钨酸铵和21^钛酸四丁酯，在转速600印111下搅拌1211得前驱体溶液，将其加入电纺设备(康森特1006型)中，设定高压电场电压12kV，注射器到接收板的距离15cm，在电场力的作用下纳米纤维被收集在接收装置上，形成纳米纤维毡；
[0045]2)取纳米纤维毡在温度520°C下煅烧30min，得到Ti02/W03纳米纤维；
[0046]3)将20mg Ti02/W03纳米纤维和0.15g葡萄糖加入含有30mL去离子水的水热反应釜中，于温度180°C下水热反应4h，反应完毕抽滤、洗涤、干燥，得到碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维光催化剂。
[0047]取上述碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维20mg，加入到45mL去离子水和15mL甲醇的混合溶液中，在350W氣灯(上海蓝晟电子)下光照2h，光催化分解水产氢。
[0048]实施例3
[0049]碳修饰Ti02/W03复合纳米纤维光催化剂，其制备步骤如下:
[0050]I)在1mL乙醇与6mL乙酸的混合液中加入1.1g聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀后加入
0.15g钨酸铵和2mL钛酸四丁酯，在转速600rpm下搅拌12h得前驱体溶液，将其加入电纺设备(康森特1006型)中，设定高压电场电压12kV，注射器到接收板的距离15cm，在电场力的作用下纳米纤维