[发明专利]一种稀土/碳共掺杂柔性TiO2纳米纤维膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种稀土/碳共掺杂柔性TiO₂纳米纤维膜及其制备方法，步骤如下：首先配制前驱体溶液，前驱体溶液由钛源、稀土金属盐、碳源、非离子表面活性剂和溶剂组成；再进行静电纺丝得到前驱体纤维膜，静电纺丝时在纺丝区间施加50～100℃的恒温热场并控制接收装置的温度为‑10～0℃；最后在空气气氛下煅烧得到稀土/碳共掺杂柔性TiO₂纳米纤维膜。最终制得的产品的柔软度为10～50mN，拉伸断裂强度为3～5MPa，可吸收光吸收范围拓展至550～700nm。本发明制备方法，无需加入聚合物或者老化，无需后处理，工艺简单，成本低廉，产品具有良好的拉伸断裂强度、柔性和可见光催化性能。

技术领域

本发明属于新材料领域，涉及一种稀土/碳共掺杂柔性TiO₂纳米纤维膜及其制备方法。

背景技术

二氧化钛(TiO₂)一维纳米材料因其光催化性质稳定、价格低廉、无生物毒性等特点，在光催化制氢、工业中的挥发性有机物(VOCs)，以及室内、车内 VOCs等降解方面引起了广泛的关注。但要作为一种广泛应用的光催化材料，其存在以下主要问题：1)TiO₂带隙较宽(Eg＝3.0～3.2eV)，只能被400纳米波长以下的紫外光激发，太阳能利用率低。2)光生电子-空穴对容易复合，导致光量子利用率低，从而降低了材料的催化活性。3)大多数一维二氧化钛纳米材料普遍存在脆性大的、强度低的问题。上述的问题成为限制纳米二氧化钛光催化材料广泛应用的瓶颈问题。为此，人们利用元素掺杂，实现了二氧化钛对可见光的吸收，并有效抑制光生电子-空穴对的复合，从而提高催化活性，并实现了纤维的柔性化制备。

早期的研究中，主要以单一的金属或非金属掺杂，如C、S、N、Fe、Ni、 Zn、La、Ce等。Maruska等报道了通过过渡金属(Fe、Ni等)掺杂二氧化钛可使其具有可见光催化响应，Asahi等报道了N取代TiO₂晶格中少量O之后，可以使催化剂具有可见光催化响应，随后Lettmann等在做N掺杂时偶然发现，在没有掺杂的样品中也有可见光催化活性，从而发现碳掺杂纳米TiO₂的可见光催化活性，为此开发具有可见光催化响应的掺杂二氧化钛的研究便引起了广泛关注。

专利CN 104607171公开了一种镨掺杂二氧化钛复合纳米纤维光催化剂的制备方法，Applied Physics A 117(2014)1191-1201报道了一种铈掺杂二氧化钛纳米纤维的制备方法，少量稀土金属掺入到TiO₂的晶格或晶格间隙中，有效的抑制了光生电子-空穴对的复合，同时增强了晶界间的相互作用，提高催化活性的同时，亦拓展了其可见光吸收范围，但其可见光吸收波长多集中在500nm以下。

专利CN 102021676A公开了一种二氧化钛/活性炭复合纳米纤维膜的制备方法，Synthetic Metals 193(2014)125-131报道了一种二氧化钛/碳纳米管纳米纤维的制备方法，研究发现在C与稀土金属元素共掺杂纳米TiO₂材料中，少量C进入TiO₂晶格中，形成Ti-C键，形成掺杂能级，使其禁带宽度变窄，有利于其对可见光的吸收，虽然C的引入可以使催化剂的光吸收范围变大，拓展至700nm 以上，但C的存在导致了催化剂的催化活性降低。

近年来，多元素掺杂受到了越来越多的关注。尤其是碳与稀土元素掺杂更受青睐。提高了纤维强度。然而，关于稀土/碳共掺杂柔性二氧化钛纳米纤维的制备及研究的报道尚不多见。因此，开发一种稀土/碳共掺杂柔性TiO₂纳米纤维材料具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中工艺较为复杂、成本昂贵及产品性能不佳的缺陷，提供一种生产工艺简单、成本低廉、产品光催化性能及其柔性较好的稀土 /碳共掺杂柔性TiO₂纳米纤维膜及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：