一种负载异质结构光触媒材料光纤网的制备方法、光纤网及光触媒网与流程

本发明涉及光触媒降解技术领域，特别涉及一种负载异质结构光触媒材料光纤网的制备方法、光纤网及光触媒网。

背景技术：

光触媒降解空气中的CO、甲醛或水中的有机污染物是近年来研究开发的热点，然而目前的光催化材料主要对能量较高的紫外线响应，而太阳光中的紫外线占比很小，室内又没有能够利用的紫外线，存在转化效率低的缺点。随着紫外线LED光源的发光效率提高及成本大幅下降，使室内和水中有机污染物进行光催化降解成为可能。

目前有二种方式将紫外光射于光触媒材料的表面：外部照射和内部导入。外部照射方式简单，但紫外光利用率低，大部分被介质吸收。因此利用光纤导入到光触媒材料表面具有独特的优势。

技术实现要素：

本发明主要针对上述缺点，提供了一种负载异质结构光触媒材料光纤网的制备方法、光纤网及光触媒网，该方法制备的光纤网，紫外光直接作用于光触媒纳米颗粒上，紫外光利用率几乎达到100％，制备工艺简单，所需光源功率要求低，可广泛应用于空气有害气体净化和污水有机污染物净化。

为达到上述目的，本发明采用的技术路线是：

一种负载异质结构光触媒材料光纤网制备方法，在紫外光纤束表面烧结纳米催化物载体使光纤束表面形成透光点，然后在其表面生长纳米贵金属颗粒形成异质结构，再由多根紫外光纤束交叉形成光纤网。

作为本发明的进一步改进，形成透光点的具体方法为：将纳米尺寸的催化物载体分散在水中，加入粘结剂配制成悬浮溶液；将紫外光纤束浸入上述悬浮溶液中进行首次浸渍，浸渍完成后取出干燥；并在真空或惰性气体保护下，在300-900℃下烧结若干分钟，使催化物载体在光纤表面与光纤发生界面反应，在反应点处形成透光点。

作为本发明的进一步改进，所述的催化物载体选自TiO₂、ZnO、V₂O₅、WO₃、Fe₂O₃、SnO₂、Co₃O₄、CuO和Cu₂O粉末中的一种或多种，颗粒尺寸小于5微米。

作为本发明的进一步改进，悬浮溶液中催化物载体的浓度为50～1000g/L。

作为本发明的进一步改进，加入0.001-1mol/L的PVA、PVC或羧甲基纤维素作为粘结剂。

作为本发明的进一步改进，纳米贵金属颗粒是将光纤束浸入贵金属盐溶液后干燥烧结分解方式形成异质结构。

作为本发明的进一步改进，形成异质结构的具体方法为：将烧结好的形成透光点的光纤束浸入贵金属盐水溶液进行二次浸渍，浸渍完成后取出干燥，在200-700℃下烧结若干分钟，制成负载氧化物/贵金属异质结构光触媒材料的光纤束。

作为本发明的进一步改进，贵金属盐水溶液为0.001-1mol/L的氯金酸、氯金酸盐、硝酸银、乙酸银、三氟乙酸银、草酸银、氯铂酸或氯铂酸盐的溶液。

作为本发明的进一步改进，形成光纤网的具体方法为：将得到形成异质结构的多根紫外光纤束编织成网状，每根紫外光纤束的两头集束在一起，端面经抛光处理后，即得到了负载异质结构光触媒材料光纤网。

一种负载异质结构光触媒材料的光纤网，光纤网是由多根紫外光纤束编织成的网状结构，紫外光纤束表面设置有烧结纳米催化物载体形成的透光点及由纳米贵金属颗粒形成的异质结构；每根紫外光纤束的两头集束在一起，端面抛光处理。

一种负载异质结构光触媒材料的光触媒网，将所述的光纤网外接10mW紫外LED制成光触媒网，紫外LED波长为365nm。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明的制备方法是将光触媒材料附着于光纤表面形成催化网，通过控制烧结温度和时间，在光纤表面形成无数个光透出点，进一步在表面生长纳米贵金属(金、银、铂)颗粒形成异质结构，纳米贵金属颗粒将光纤束浸入贵金属盐溶液后干燥烧结分解方式形成异质结构。当紫外光直接作用于光触媒纳米颗粒上，紫外线在紫外光纤中传输能量损失较小，高效率地通过透光点照射异质结构光触媒材料，产生激发电子空穴对，实现对空气中有毒气体或水中有机污染物的催化转化，达到净化目的。紫外光利用率几乎达到100％，制备工艺简单，所需光源功率要求低，可广泛应用于空气有害气体净化和污水有机污染物净化。

进一步，粘结剂选择PVA、PVC或羧甲基纤维素，在配制悬浮溶液的时候可以作为分散剂使催化物载体分散，紫外光纤束浸入悬浮溶液中时作为粘结剂使催化物载体与光纤束表面粘接。本发明制备的光纤网，将紫外光源置于光纤束集束端，紫外光通过光纤束导入，激发光纤表面的异质结构光触媒材料，可实现高效室内空气中CO、甲醛等有害物质的催化氧化，达到净化空气的目的，也可用于小型污水有机物光催化降解装置的光触媒网，提高紫外光的利用效率，具有很高的应用价值。

【附图说明】

图1纳米Pt颗粒负载在纳米TiO₂上的异质结构；

图2纳米Au颗粒负载在微米级Cu₂O上的异质结构。

【具体实施方式】

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细阐述，但在本发明的描述中，需要理解的是，本发明所描述的实施例是示例性的，描述中所出现的具体参数仅是为了便于描述本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一种负载异质结构光触媒材料光纤网制备方法，具体制备方法如下：

1、将纳米尺寸的TiO₂、ZnO、V₂O₅、WO₃、Fe₂O₃、SnO₂、Co₃O₄、CuO、Cu₂O粉末(颗粒尺寸小于5微米)中的一种或多种组合分散在水中，加入0.001-1M的PVA、PVC或羧甲基纤维素(CMC)作为粘结剂，将紫外光纤束浸入上述悬浮溶液中，取出干燥后，在真空或惰性气体保护下300-900℃下烧结若干分钟。根据材料和光纤的种类以及所需净化污染物的特性，优化烧结温度和时间，使这些氧化物在光纤表面与光纤发生界面反应，反应点处的很小区域破坏表面反射层，形成透光点。悬浮溶液中，催化物载体的浓度为50～1000g/L，

2、将烧结好的表面带有氧化物的光纤浸入0.001-1mol/L的可溶性氯金酸或氯金酸盐溶液、可溶性银盐溶液(包括硝酸银(AgNO₃)、乙酸银(CH₃COOAg)、三氟乙酸银(CF₃COOAg)、草酸银(Ag₂C₂O₄))或可溶性氯铂酸或氯铂酸盐溶液，取出干燥后，在200-700℃下烧结10-100分钟，制成负载氧化物/贵金属异质结构光触媒材料的光纤。

3、为了增大紫外光的利用率，将多根光纤编织成网状，每根光纤的两头集束在一起，端面经抛光处理用于导入紫外光。紫外线在紫外光纤中传输能量损失较小，高效率地通过透光点照射异质结构光触媒材料，产生激发电子空穴对，实现对空气中有毒气体或水中有机污染物的催化转化，达到净化目的。

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明：

实施例1

平均粒径为25nm的TiO₂纳米颗粒100g，加入到500ml去离子水中，加入0.2M羧甲基纤维素(CMC)制成混合溶液，30根紫外光纤表面超声清洗后浸入该溶液。取出干燥后，在真空炉中650℃烧结40分钟。冷却后浸入50mM的H₂PtCl₆溶液，干燥后在真空炉中500℃烧结30分钟，见附图1，可以看出烧结后Pt纳米颗粒均匀分散在氧化物二氧化钛的表面。编织成网状后，将光纤集束头部抛光，外接10mW紫外LED(波长365nm)，制成负载TiO₂/Pt异质结构光触媒网。光触媒网浸入含有2％甲基橙(MO)水中，打开光源后10分钟，实测对MO的降解率为76％，没有打开光源的对比试验中降解率为14％。

实施例2

平均粒径为5000nm的Cu₂O纳米颗粒100g，加入到500ml去离子水中，加入0.1M的PVA制成混合溶液，20根紫外光纤表面超声清洗后浸入该溶液。取出干燥后，在Ar气保护炉中450℃烧结20分钟。冷却后浸入90mM的HAuCl₄溶液，干燥后在Ar气保护炉中400℃烧结20分钟，见附图2，可以看出金纳米颗粒均匀分散在氧化亚铜颗粒表面。编织成网状后，将光纤集束头部抛光，外接10mW紫外LED(波长365nm)，制成负载Cu₂O/Au异质结构光触媒网。光触媒网置于含有0.1％CO的空气箱中(底部放置一个小电扇促进空气流动)，打开光源后10分钟，实测对CO的转化率为96％，没有打开光源的对比试验中转化率为21％。

实施例3

平均粒径为340nm的Fe₂O₃纳米颗粒160g，加入到500ml去离子水中，加入0.1M的PVA制成混合溶液，20根紫外光纤表面超声清洗后浸入该溶液。取出干燥后，在Ar气保护炉中750℃烧结20分钟。冷却后浸入90mM的HAuCl₄溶液，干燥后在Ar气保护炉中500℃烧结20分钟。编织成网状后，将光纤集束头部抛光，外接10mW紫外LED(波长365nm)，制成负载Fe₂O₃/Au异质结构光触媒网。光触媒网置于含有0.05％甲醛的空气箱中(底部放置一个小电扇促进空气流动)，打开光源后20分钟，实测对甲醛的转化率为85％，没有打开光源的对比试验中转化率为6％。

实施例4

平均粒径为180nm的V₂O₅纳米颗粒80g，加入到500ml去离子水中，加入0.05M的PVC制成混合溶液，20根紫外光纤表面超声清洗后浸入该溶液。取出干燥后，在Ar气保护炉中750℃烧结20分钟。冷却后浸入200mM的AgNO₄溶液，干燥后在Ar气保护炉中500℃烧结20分钟。编织成网状后，将光纤集束头部抛光，外接10mW紫外LED(波长365nm)，制成负载V₂O₅/Ag异质结构光触媒网。光触媒网置于含有0.05％CO的空气箱中(底部放置一个小电扇促进空气流动)，打开光源后20分钟，实测对CO的转化率为68％，没有打开光源的对比试验中转化率为12％。

实施例5

平均粒径为25nm的TiO₂纳米颗粒50g，加入到1000ml去离子水中，加入0.001M羧甲基纤维素(CMC)制成混合溶液，20根紫外光纤表面超声清洗后浸入该溶液。取出干燥后，在真空炉中900℃烧结30分钟。冷却后浸入0.001M的HAuCl₄溶液，干燥后在Ar气保护炉中200℃烧结60分钟。编织成网状后，将光纤集束头部抛光，外接10mW紫外LED(波长365nm)，制成负载TiO₂/Au异质结构光触媒网。光触媒网浸入含有2％甲基橙(MO)水中，打开光源后30分钟，实测对MO的降解率为72％，没有打开光源的对比试验中降解率为12％。

实施例6

平均粒径为40nm的Cu₂O纳米颗粒100g，加入到100ml去离子水中，加入0.01M的PVA制成混合溶液，20根紫外光纤表面超声清洗后浸入该溶液。取出干燥后，在Ar气保护炉中300℃烧结60分钟。冷却后浸入1M的H₂PtCl₆溶液，干燥后在Ar气保护炉中400℃烧结30分钟。编织成网状后，将光纤集束头部抛光，外接10mW紫外LED(波长365nm)，制成负载Cu₂O/Pt异质结构光触媒网。光触媒网置于含有1％CO和99％空气的混气箱中(混气箱中接红外探测器)，待气体混合均匀后，打开光源后10分钟，实测对CO的转化率为95％，没有打开光源的对比试验中转化率为16％。

实施例7

平均粒径为40nm的Cu₂O纳米颗粒与平均粒径为35nm的Fe₂O₃纳米颗粒的混合物75g，加入到500ml去离子水中，加入1M的PVA制成混合溶液，15根紫外光纤表面超声清洗后浸入该溶液。取出干燥后，在Ar气保护炉中600℃烧结30分钟。冷却后浸入0.025M的H₂PtCl₆溶液，干燥后在Ar气保护炉中300℃烧结30分钟。编织成网状后，将光纤集束头部抛光，外接10mW紫外LED(波长365nm)，制成负载Cu₂O/Fe₂O₃/Pt异质结构光触媒网。光触媒网置于含有1％CO和99％空气的混气箱中(混气箱外接气相色谱仪)，待气体混合均匀后，打开光源后10分钟，实测对CO的转化率为92％，没有打开光源的对比试验中转化率为11％。

以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。