[发明专利]石墨烯与钒酸盐复合纳米纤维光催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯与钒酸盐（MVO₄（M=La、Ce、Pr或Nd））复合纳米纤维光催化剂及其制备方法，属于可见光催化材料制备技术领域。

背景技术

光催化技术是一项能源环境领域的新兴技术，其中以二氧化钛研究为最多，这是由于其具有无毒、稳定、低廉等优势。但二氧化钛光催化材料只具有紫外光响应且量子效率较低，影响了它的大规模应用，所以研究者通过掺杂、复合等手段拓宽其可见光响应，或者转而寻找其他新型光催化材料。稀土钒酸盐是一类具有可见光响应的新型光催化剂，如LaVO₄、CeVO₄、PrVO₄、NdVO₄等，这类钒酸盐的禁带宽度低于二氧化钛等常见光催化剂，近年来成为研究热点。但由于存在量子效率低、比表面积小等缺陷，降低了实用性。

自2004年石墨烯被发现以来，科学家对其优异的光、电、热学性能以及表面特性产生极大兴趣，发起了全球范围的研究热潮。目前已有不少研究将石墨烯与光催化材料复合以提高其光催化能力，这种复合不仅可以增强光的吸收以提高太阳能利用率，也可以增加光生电子的传输速率以提高量子效率，还可以增大光催化剂比表面积，大大提高催化效率。石墨烯与光催化材料的复合多以化学沉淀、水热等方式完成，制备的复合材料均为粉体，虽然具有较高的比表面积，但在实际应用中难以与液相分离，成为制约光催化技术推广的瓶颈。

静电纺丝法是基于高分子聚合物溶于有机溶剂制成的纺丝液在高压电场中电纺成丝的一种纤维材料制备方法。若在纺丝液中添加各种前驱物，即可纺成不同成分的纳米纤维，然后通过焙烧的方法除去有机溶剂和高分子聚合物，即可得到纯净、结晶良好的纳米纤维。基于静电纺丝技术，人们已经制备出了一系列掺杂、复合的纳米纤维光催化剂。然而，由于稀土钒酸盐前驱物与有机溶剂体系存在互溶难题，尚未发现静电纺丝法制备石墨烯与钒酸盐复合纳米光催化纤维的报道。

发明内容

本发明提出一种孔层结构丰富、带隙窄的石墨烯与钒酸盐（MVO₄（M=La、Ce、Pr或Nd））复合纳米纤维光催化剂，同时提供一种该复合纳米纤维光催化剂的静电纺丝制备方法。

本发明的石墨烯与钒酸盐复合纳米纤维光催化剂，由石墨烯与钒酸盐两种组分按每1mmol钒酸盐与10mg-30mg石墨烯的比例复合而成。

所述钒酸盐是LaVO₄、CeVO₄、PrVO₄或NdVO₄。

上述石墨烯与钒酸盐复合纳米纤维光催化剂的制备方法，采用静电纺丝法，纺丝液为聚乙烯吡咯烷酮（PVP）与乙醇的无水体系，具体包括以下步骤：

（1）按1mmol：0.5g-1g：5ml：10mg-30mg的比例取稀土金属硝酸盐（La(NO₃)₃或Ce(NO₃)₃或Pr(NO₃)₃或Nd(NO₃)₃）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量1300000）、无水乙醇和石墨烯粉末；在搅拌状态下依次将稀土金属硝酸盐和聚乙烯吡咯烷酮溶解于无水乙醇中，再将石墨烯粉末浸入其中，充分搅拌均匀后超声分散30分钟，得到A液；

（2）按1mmol：5ml的比例取乙酰丙酮氧钒和无水乙醇，将乙酰丙酮氧钒溶解于无水乙醇中，得到B液；

（3）将B液逐滴加入A液中，充分搅拌4小时-8小时，制成纺丝液；

（4）将步骤（3）制成的纺丝液电纺成丝，得到复合纳米纤维毡；具体过程为：

将纺丝液吸入注射器，注射器的推进速度通过微量恒流泵控制，注射器针头朝下并连接高压电源正极，纤维收集板水平放置，置于注射器针头正下方并接地，针头与收集板之间距离10cm-20cm；在室温20℃-25℃，相对湿度为25%-45%的环境中，通过高压电源在注射器针头与收集板之间施加10kV-30kV电压，开启恒流泵控制注射器中纺丝液外射流速0.05ml/小时-0.5ml/小时，即在收集板上得到含有石墨烯、稀土金属钒酸盐和聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维毡。

（5）将步骤（4）得到的纤维毡置于空气中老化6小时-24小时，然后在500℃-600℃空气气氛下焙烧2小时-6小时除去聚乙烯吡咯烷酮（PVP），即得到石墨烯与钒酸盐（MVO₄（M= La、Ce、Pr或Nd））复合纳米纤维光催化剂。