[发明专利]一种Ag-碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种Ag‑碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法采用一步法，条件温和，无需特殊仪器设备，无需高温高压，操作简单易行，效率高；并且所述水热反应无需模板，以单糖作为碳源，实现单糖与催化剂前驱体Ag₃PO₄‑AgCl间的还原反应，实现碳纳米纤维原位催化生长的同时Ag纳米颗粒原位高分散担载在碳纳米纤维上并且Ag纳米线原位填充于碳纳米纤维空腔内。实施例的结果表明，将Ag‑碳纳米纤维复合材料应用于可见光下的光催化降解有机污染物亚甲基蓝，经过暗态下2h的吸附后，亚甲基蓝的浓度降至初始浓度的55％，再经过2h的可见光光催化降解后，亚甲基蓝的脱除效率可达95％以上。

技术领域

本发明涉及纳米复合材料技术领域，尤其涉及一种Ag-碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

染料污染水体是一种日趋严重的环境问题，被染料污染过的水体具有较高毒性、潜在的诱变性和致癌性，常用于解决工业废水染料污染问题的方法有吸附法、凝固法、膜分离法、化学氧化法和光催化法。其中，光催化法多通过半导体光催化剂利用太阳能，无需加入昂贵的氧化剂，在常温、常压下就可以将大分子有机污染物转变成低毒的有机小分子、二氧化碳和水，被认为是一种有效降解有机污染物的方法。

纳米Ag作为一种可见光响应的光催化剂，其表面存在等离子体共振效应，且在污染物降解中有较好的性能，被广泛用于有机污染物的降解领域。然而，单独的纳米Ag光催化剂具有较低的结构稳定性和较高的电子-空穴复合率，严重影响了纳米Ag光催化剂的光催化活性。现有技术中多通过将纳米Ag与其他材料如碳纳米纤维的复合，通过制备Ag-碳纳米纤维复合材料来解决纳米Ag的结构稳定性和电子-空穴复合的问题。

现有技术中多采用分步方法制备Ag-碳纳米纤维复合材料：首先合成出碳纳米纤维，然后再将Ag担载上去。

碳纳米纤维的制备方法主要有静电纺丝法和化学气相沉积法。例如，Zhang等(Macromol.Mater.Eng.2009,294,673–678)利用静电纺丝方法，用聚合物PAN和PVP的前驱体溶液，首先在10KV电压下纺丝得到多孔的PAN纳米纤维，最后在1000℃氮气气氛下高温碳化后成功制备了多孔的碳纳米纤维；Wang等(Appl.Catal.B-Environ.2017,207,316–325)利用静电纺丝法，以PAN作为碳源，施加18KV电压下纺丝制备，最后经过900℃碳化而得碳纳米纤维。化学气相沉积法制备碳纳米纤维，通常使用烷烃分子作为碳源，过渡金属作为催化剂，一般在1000℃以上的温度合成而得。例如，Endo等(Carbon 2001,39,1287–1297)采用反应物流动的化学气相沉积法，制备得到直径分布较窄的亚微米碳纤维。

纳米Ag在碳纳米纤维的负载方法主要有溶液浸渍法、电化学沉积法和蒸汽沉积法。例如，Paul等(J.Nanopart.Res.2011,13,5749-5757)对碳纳米纤维进行氧化处理之后，采用溶液浸渍法在碳纳米纤维上负载了尺寸20nm以上的Ag纳米颗粒。Wang等(Sci.ChinaSer.E 2009,52,3215-3218)首先通过化学气相沉积法制备了碳纳米纤维，然后转移至真空腔中抽真空，再通过加热蒸发Ag纳米线使Ag颗粒沉积到碳纳米纤维表面上。

然而，通过静电纺丝法和化学气相沉积法来制备碳纳米纤维，往往涉及的过程复杂，并且需要特殊仪器设备或很高的制备温度；此外，在制备碳纳米纤维的基础上分步制备Ag-碳纳米纤维复合材料，难以有效控制纳米Ag的尺寸以及Ag的分散性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种Ag-碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法通过一步无模板法实现碳纳米纤维原位催化生长的同时将Ag纳米粒子有效附着在碳纳米纤维表面并且Ag纳米线原位填充于碳纳米纤维空腔内，碳纳米纤维均匀，并且Ag分散性良好。

本发明提供了Ag-碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：