[发明专利]一种柔性氧化钛/氧化硅/碳复合纳米纤维膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种柔性氧化钛/氧化硅/碳复合纳米纤维膜及其制备方法，属于材料技术领域。本发明中纳米纤维膜的制备方法包括以下步骤，首先将钛源、硅源和高分子聚合物分散在溶剂中制成稳定均匀的溶液；随后通过静电纺丝技术将上述溶液制成原始纳米纤维膜；将上述原始纳米纤维膜先后在空气中进行预氧化，在惰性气体氛围中进行碳化，得到柔性氧化钛/氧化硅/碳复合纳米纤维膜。本发明所述的制备方法具有简单快速、环境友好、成本低廉等特点。获得的氧化钛/氧化硅/碳复合纳米纤维膜不仅拥有高比表面积和高孔隙率，而且具有良好的柔性、结晶性、导电性、吸附性和光响应性，在水处理、空气净化、锂离子电池、染料敏化太阳能电池、光解水制氢等环保和能源领域均具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种柔性氧化钛/氧化硅/碳复合纳米纤维膜及其制备方法，属于材料技术领域。

背景技术

氧化钛是一种性能优异的半导体材料，因其具有无毒、化学稳定性好、耐光腐蚀，价格低廉、原料来源丰富和光催化活性高等优点而受到极大的关注，被广泛应用于水处理、空气净化、锂离子电池、染料敏化太阳能电池、光解水制氢、储能材料等环保和能源领域。但目前氧化钛的实际应用存在一些亟待解决的问题。例如氧化钛作为光催化剂在水处理应用过程中的主要形式为纳米粉体分散的悬浮相体系，而在悬浮相体系中的纳米氧化钛容易发生团聚、失活，而且不易回收、容易流失。通过负载的方法可以将纳米氧化钛固定在载体上，但负载会极大地降低其比表面积、光响应面积以及与目标分子的有效接触，进而严重影响其处理效果。开发比表面积高的多孔载体材料有助于减轻上述影响。将氧化钛制备成高比表面积和高孔隙率的纳米纤维膜不仅可以解决纳米粉体容易团聚、不易回收等问题，还可以在一定程度上减轻因比表面积减小而产生的不利影响。静电纺丝技术是是制备具有连续结构的纳米纤维膜最直接高效的方法。目前，基于静电纺丝的氧化钛纳米纤维膜的合成方法主要有两种：一种是先用静电纺丝制备高分子有机纤维膜，再经后续的涂覆工艺在纤维上负载氧化钛纳米颗粒，这种氧化钛纤维膜存在负载量少，负载不均匀、负载不牢固以及有机高分子易老化等缺点；另一种是将含钛源的纺丝液经过静电纺丝先制备前驱体纤维膜，再经后续高温空气煅烧得到氧化钛纳米纤维膜。后者为纯氧化钛纳米纤维膜，氧化钛含量可控，稳定性好。然而，纯氧化钛纳米纤维膜脆性大，容易碎裂，机械性能较差，难以作为完整的膜材料加以应用，致使其应用领域受到极大限制。专利CN 104153123 B公开了一种柔性氧化钛纳米纤维膜及其制备方法，然而该柔性氧化钛纤维膜必须在制备过程中引入复杂的偶联剂和表面活性剂调节其结构。专利CN 103316625 B公开了一种氧化硅/氧化钛复合介孔柔性无纺纤维膜及其制备方法，该氧化硅/氧化钛复合无纺纤维膜具有良好的柔性，但是其氧化钛结晶性差，不具备光催化性能，吸附饱和后的纤维膜只能采用煅烧的方法再生；此外，氧化钛和氧化硅的导电性差，严重限制了该氧化硅/氧化钛复合无纺纤维膜在锂离子电池、染料敏化太阳能电池等方面的应用。

将碳与氧化钛复合可以提高氧化钛的吸附性、导电性、稳定性和光响应性等，从而极大拓展其应用范围。通常的氧化钛/碳复合纳米纤维膜以碳纳米纤维膜为前驱体，再经后续涂覆工艺负载氧化钛纳米颗粒。专利CN 103696235 B公开了一种碳纤维负载介孔二氧化钛的制备方法，具体为先制备碳纤维并对其进行预处理，再通过溶胶-凝胶反应借助模板剂的导向作用负载氧化钛微粒。然而，该制备方法存在操作过程复杂、制备成本较高等缺点。此外，该方法制备的材料存在氧化钛与碳纤维结合力弱、氧化钛易脱落等缺陷。

针对目前柔性氧化钛纳米纤维膜材料及其制备方法存在的不足，本发明发展的方法无需添加任何偶联剂、表面活性剂和抑制剂，仅以环境友好的钛源、硅源、无毒溶剂和高分子聚合物为原料，先采用静电纺丝技术高效制备原始纳米纤维膜，再经后续的预氧化和碳化，同步实现高分子聚合物的碳化和氧化钛的结晶，快速便捷地得到柔性的氧化钛/氧化硅/碳复合纳米纤维膜。该方法具有简单快速、环境友好、成本低廉等特点。获得的氧化钛/氧化硅/碳复合纳米纤维膜不仅拥有高比表面积和高孔隙率，而且具有良好的柔性、结晶性、导电性、吸附性和光响应性，在水处理、空气净化、锂离子电池、染料敏化太阳能电池、光解水制氢等环保和能源领域均具有广阔的应用前景。

发明内容