纳米纤维在高效可见光光催化剂中的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无机半导体光电材料的应用，特别是N掺杂1102纳米纤维在高效可见光光催化剂中的应用。
[0002]介孔材料指具有多孔结构且孔径在2到50纳米之间的材料；at%原子数百分含量。
【背景技术】
[0003]T12是一种重要的无机半导体光电材料，在光催化、污水处理和太阳能电池等领域得到了广泛应用。然而，由于T12是一种典型的宽禁带半导体(Eg = 3.2eV)，致使只有波长小于387nm的紫外光照射下才具有光激发活性，而这部分光能仅进占到地面上太阳能量的3%?5%，太阳能利用率非常低，极大的限制了 T12材料的产业化应用和推广。研究表明，通过掺杂可以有效的缩小T12的禁带宽度，拓宽其光响应范围，其中N掺杂T12受到了普遍的关注。早在2001年，Asahi和他的合作者们在Science上报道了以NH3/Ar的混合气体作为氮源，对商品T12进行600°C高温氮化，使T1 2的禁带宽度变窄，而且在不降低紫外光下活性的同时，使其具有可见光活性，自此掀开了 N掺杂改性Ti02的研究热潮。目前制备N掺杂T12的方法主要有溅射法、钛醇盐水解法、高温焙烧法、脉冲激光沉积法、溶胶-凝胶法、机械化学法和加热含钛和氮的有机前驱体法等。
[0004]—维介孔结构的纳米材料，如全介孔纳米纤维相比传统的体材料，其典型的一维纳米结构和介孔构造赋予其独特的高表面积和高度有序的孔道，显示出更加广泛的应用前景。然而，上述提到的几种制备N掺杂T12的方法很难获得具有高纯度一维介孔结构的纳米材料，其应用仍然具有局限性。因此，探索一种有效制备高纯度N掺杂T12全介孔纳米纤维的方法成为了一个亟需解决的研究议题。
[0005]近年来，随着现代工业的快速发展，环境污染尤其是水体污染成为了目前人类亟需解决的问题之一。光催化作为一种的有效的氧化技术，在污水处理，分解各类生物难降解的有毒物质等领域得到了广泛应用。光催化技术的核心是高效光催化剂的开发，其中T12是最具代表性的光催化剂之一，因其无毒、良好的化学稳点性和无二次污染等优点，受到了研究者们的普遍关注。然而，从实际应用的角度考虑，传统的打02光催化剂仍然存在以下几个问题:1)光谱响应范围<380nm，无可见光相应，太阳能利用率很低；2)商业的纳米粉体光催化剂在液相体系下极易团聚，光催化稳定性差且难以分离和回收；3)比表面积较低，对光催化参与物的吸脱附能力差，光催化效率较低。
[0006]针对于T12光催化剂存在的以上问题，研究者们做了大量的探索，其中对其进行N掺杂可以显著拓宽T12的光响应范围到可见光区间，太阳能利用率大幅度增加。此外，一维全介孔结构的T12纳米纤维材料由于其独特的几何结构和高比表面积，赋予其高效且稳定的光催化活性。因此，如果能够制备全介孔结构的N掺杂T12纳米纤维将有望解决T1 2光催化剂所存在的问题。但是，大量的研究工作往往只能解决其中的一个问题，如合成的N掺杂T12光催化剂仍存在稳定性差和比表面积低等劣势，光催化效率的提高具有局限性，N 掺杂T12全介孔纳米纤维高效可见光光催化剂的研发仍然面临着严峻的挑战。
【发明内容】
[0007]为解决上述问题，本发明公开的N掺杂1102纳米纤维在高效可见光光催化剂中的应用，其中纳米纤维的生产工艺简单，生产方便，产品质量稳定性好，纳米纤维具有稳定有序的表面介孔结构，灵敏度高，作为催化剂具有催化活性高，应用成本低廉，催化剂重复使用性能好，能够再生重复利用的优势。
[0008]本发明公开的N掺杂1102纳米纤维(高纯度N掺杂T1 2全介孔纳米纤维)在高效可见光光催化剂中的应用，纳米纤维主要组成元素为T1、O和N，
[0009]其中T1、O元素在纳米纤维中的主要表现形式为T12, N为掺杂元素；
[0010]纳米纤维具有多孔结构，所述多孔结构的孔包括介孔。
[0011]优选地，纳米纤维具有多孔结构且多孔结构的孔均为介孔。
[0012]优选地，具有介孔结构的纳米纤维的比表面积为45_55m2/g，介孔的孔径平均为3_20nm。
[0013]优选地，N元素在纳米纤维中的掺杂含量为0_2at%。
[0014]优选地，1102在纳米线中的晶型主要为锐钛矿型。
[0015]优选地，锐钛矿型T12在纳米线中占T12总量的0-100 (v/v) % (余量可以为金红石型T12，或者非晶T12)。
[0016]本发明公开的高纯度N掺杂1102全介孔纳米纤维的制备方法，包括如下步骤，
[0017]I)、前躯体纺丝液的配置:将聚乙烯吡咯烷酮、钛酸丁酯、偶氮二甲酸二异丙酯和尿素溶解于无水乙醇和冰醋酸混合溶剂中形成均匀前躯体纺丝液；
[0018]2)、前躯体纳米线制备:将步骤I)得到的前躯体纺丝液经纺丝得到前躯体纳米线；
[0019]3)、纳米线的制备:将步骤2)得到的前躯体纳米线经高温煅烧即可获得高纯度N掺杂T12全介孔纳米纤维。以尿素为氮掺杂原料，含氮量较高，使用方便，安全性好，操作过程中无需考虑分布不均匀的问题，可在煅烧分解的过程中实现对1102基质掺杂N的目的；
[0020]本发明公开的高纯度N掺杂T12全介孔纳米纤维的制备方法的一种改进，步骤2)中前驱体纺丝液经静电纺丝得到前躯体纳米线，其中静电纺丝的场强小于等于lKV/cm。静电纺丝以注射器的金属针头(注射针管)为阳极，接收用铁丝网为阴极，注射速度(单针注射速度，即每一个注射针管)为lmL/h。
[0021]本发明公开的高纯度N掺杂T12全介孔纳米纤维的制备方法的一种改进，步骤2)中得到的前躯体纳米线还经过干燥处理后再进行高温煅烧，干燥处理为低温烘干或者室温阴干。
[0022]本发明公开的高纯度N掺杂T12全介孔纳米纤维的制备方法的一种改进，低温烘干为前躯体纳米线在50-80°C下进行8-14小时干燥处理。
[0023]本发明公开的高纯度N掺杂T12全介孔纳米纤维的制备方法的一种改进，室温阴干为前躯体纳米线在室温条件下通风干燥16-24小时，通风风速为l-2m/s。
[0024]本发明公开的高纯度N掺杂T12全介孔纳米纤维的制备方法的一种改进，步骤3)中高温煅烧为在煅烧温度300-600°C下保温煅烧l_3h。煅烧时达到煅烧温度之前纳米线的升温速度为2-4°C /min,以使原有或者受热过程中产生的低挥发份充分挥发，有利于纳米线形成致密稳定的结构。
[0025]本发明公开的高纯度N掺杂T12全介孔纳米纤维的制备方法的一种改进，步骤3)中高温煅烧为在空气环境下进行。
[0026]本发明公开的高纯度N掺杂T12全介孔纳米纤维的制备方法的一种改进，步骤I)中前驱体纺丝液配置时以每IgPVP为基准，将PVP与3_6g钛酸丁酯共同溶于无水乙醇和冰醋酸混合溶剂中成均匀溶液后(搅拌6-8小时后)，再同样以PVP为基准加入0-2g偶氮二甲酸二异丙酯和O-1g尿素(搅拌1-2小时后)成均匀的前躯体纺丝液。
[0027]N掺杂T12纳米纤维在高效可见光光催化剂中的应用(即高纯度N掺杂T1 2全介孔纳米纤维在可见光光催化剂中的应用)；特别是用于罗明丹B(RhB)降解的检测和分析。N掺杂T12纳米纤维在高效可见光光催化剂中的应用为将N掺杂T1 2纳米纤维分散于分解物质中在光照射下发生催化反应，其中分解物质为含水和降解物质(如RhB等)的物质。这里物质含水可以为水、含盐水以及其它含有适量水的物质，即该含水物质中含有以液态水形式存在并能够使作为催化剂的纳米纤维分散于该液态水中即可)
[0028]本发明方案中PVP在煅烧处理的过程中分解完全挥发；ΤΒ0Τ提供Ti源供1102合成；DIPA为发泡剂，在煅烧处理的过程中分解释放出大