[发明专利]光催化纳米颗粒内嵌碳纳米管复合纤维、其制法与应用

说明书

本发明公开了一种光催化纳米颗粒内嵌碳纳米管复合纤维、其制法与应用。所述光催化纳米颗粒内嵌碳纳米管复合纤维包括纤维主体以及功能相；纤维主体具有互穿网络结构，互穿网络结构具有互穿孔隙；功能相包括光催化纳米颗粒，镶嵌于互穿孔隙中；功能相与网络结构形成层层堆叠的几何结构。所述制备方法包括：提供碳纳米管前驱体以及浸渍液，浸渍液包括分散剂以及光催化纳米颗粒；使碳纳米管前驱体浸没于浸渍液中，获得湿态前体；对湿态前体进行退火处理，获得光催化纳米颗粒内嵌碳纳米管复合纤维。本发明所提供的光催化纳米颗粒内嵌碳纳米管复合纤维具有催化剂分散均匀、含量高、性能稳定性好、使用寿命长、对可见光有响应、催化性能好等优点。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种光催化纳米颗粒内嵌碳纳米管复合纤维、其制法与应用，尤其适用于光催化有机物降解反应中。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题的恶化，开发新型环保技术和材料的需求日益严峻。其中光催化材料能在一定波长光照条件下产生光生空穴和光生电子，然后再与离子或分子结合生成具有氧化性或还原性的活性自由基，进而将有机物大分子降解为二氧化碳或其他小分子有机物以及水。反应过程中光催化剂本身不发生变化，且具有条件温和、反应设备简单、二次污染小、反应易于控制、催化材料易得和成本低等优点。光催化材料在新能源氢气制备、有机物降解和污水处理等环境领域有着重要的应用潜力。

目前，研究最多的光催化反应的催化材料有二氧化钛、氧化锌、二氧化锡等。其中，二氧化钛由于其具有光催化氧化能力强，无毒廉价，制备简单等特点，一直都是光催化剂的研究热点。但是由于其自身带隙大、光生载流子复合几率较高等缺点，严重限制了其在日常生活中的应用推广。针对这一瓶颈人们开展了大量工作，其中以碳纳米管为代表的碳基材料成为了人们关注的热点。科研工作者们近些年来相继开展了大量关于碳纳米管和二氧化钛复合的工作，其中包括合成方法的开发和活性机制的研究等(物理化学学报，2008，24(1)：97-102；石河子大学学报：自然科学版，2014，32(5)：583-588；Applied Catalysis B：Environmental，2011，110：50-57.)。

在光催化复合材料的制备领域，申请公布号为CN 108103766 A的中国发明专利提出了一种用于污水处理的二硫化钼复合纤维光催化剂及制备方法。该发明通过溶液纺丝制备碳纳米管纤维，并在加热及超声作用下进行酸化处理，再与钼酸钠及表面活性剂的无水甲醇溶液混合，自然沉积后通入氢气，并加热处理，即可制得可用于污水处理的二硫化钼复合纤维光催化剂。该方法通过碳纳米管纤维牢固负载二硫化钼，显著提高了光催化活性，扩大了催化剂与污水的接触面积，有效提升了催化效率和光催化效果，并且制备方法较为简单，能耗低，成本较低，可广泛用于光催化净化水、分解水制氢等领域。

申请公布号为CN 103127947 A的中国发明专利提出了一种磷酸功能化碳纳米管-二氧化钛复合纳米光催化剂的构筑方法。该发明通过制备磷酸功能化碳纳米管，再将磷酸功能化碳纳米管加入到钛酸丁酯中得到有机相，经过进一步研磨混合得到产物，利用磷酸对碳纳米管实现了功能化，提高了碳纳米管对氧气的吸附能力，增强了复合体系中碳纳米管的促进光生载流子分离、反应的能力。

申请公布号CN 101777431 A的中国发明专利提出了一种二氧化钛包覆的碳纳米管的薄膜电极的制备方法。与现有技术相比，该发明二氧化钛包覆的碳纳米管的薄膜电极的制备方法具有以下优点：由于碳纳米管是一种具有良好的导电性和化学稳定性的一维材料，因此将其引入传统的P25颗粒薄膜电极中后，可提高光电子在膜中的传导效率，减少电子在薄膜中的传输阻力，有效的地提高了短路电流，最终达到增大染料敏化太阳能电池光电转化效率的目的。

授权公告号为CN100396373C的中国发明专利提出了一种碳纳米管修饰的二氧化钛复合光催化剂的制备方法，该发明提供了一种不破坏碳纳米管，碳纳米管与二氧化钛结合较强，有着较高的光催化分解水制氢的效率，碳纳米管的修饰使催化剂具有可见光的吸收能力，极大提高了二氧化钛光催化剂的光利用率。