一种TiO2透明自支撑膜及其制备方法和应用 |
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| 申请号 | CN201611050383.9 | 申请日 | 2016-11-24 | 公开(公告)号 | CN106495213A | 公开(公告)日 | 2017-03-15 |
| 申请人 | 安徽理工大学; | 发明人 | 胡路阳; 张善美; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种TiO2透明自 支撑 膜 ，所述TiO2透明自支撑膜由TiO2 纤维 交错组成，所述TiO2纤维包括芯层和壳层，壳层包覆芯层，所述芯层为纳米TiO2颗粒构成的多孔纤维，所述壳层是由花状TiO2颗粒构成。本发明还公开了上述TiO2透明自支撑膜的制备方法，包括如下步骤：将 草酸 钛 钾 溶于二甘醇 水 溶液中得到溶液A；将 纤维素 纸浸渍于溶液A中，进行水热反应，取出反应后的材料，洗涤，干燥得到材料B；取材料B，在空气氛围下，升温至450-700℃，保温1-3h得到TiO2透明自支撑膜。本发明还公开了上述TiO2透明自支撑膜作为紫外光催化剂的应用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种TiO2透明自支撑膜，其特征在于，所述TiO2透明自支撑膜由TiO2纤维交错组成，所述TiO2纤维包括芯层和壳层，壳层包覆芯层，所述芯层为纳米TiO2颗粒构成的多孔纤维，所述壳层是由花状TiO2颗粒构成。 |
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| 说明书全文 | 一种TiO2透明自支撑膜及其制备方法和应用技术领域[0001] 本发明涉及光催化技术领域，尤其涉及一种TiO2透明自支撑膜及其制备方法和应用。 背景技术[0002] TiO2作为一种优异的半导体光催化剂已被广泛应用于环境处理。然而，粉末状TiO2用于污水处理后存在难以回收的问题。可以通过在载体表面形成TiO2薄膜用于污水处理， 解决粉末状TiO2难以回收的问题，常用的载体有玻璃、碳纤维、钛箔和不锈钢等。TiO2薄膜的制备方法包括化学气相沉积、浸涂、水热反应、旋涂等。但是大多数载体在光催化过程中仅 仅作为一个载体使用，并未对TiO2光催化性能的提升产生明显的帮助，而且增加了光催化 材料整体重量，因此，如何获得TiO2自支撑膜引起了广泛的研究。 [0003] 目前，TiO2自支撑薄膜主要通过钛箔阳极氧化制备，但是阳极氧化技术获得的TiO2自支撑膜从钛箔上分离易导致薄膜结构破损；采用静电纺丝结合水热处理或在水热过程中 利用rGO或CNT连接TiO2纳米纤维也可以获得了具有可控结构的TiO2自支撑膜，但获得的三 维纳米纤维膜不具有透明性；最近，台湾大学Liou等人通过控制H+、Ti3+与Cl-的浓度，一步水热法制备得到TiO2透明自支撑膜，但原料需选用FTO玻璃，价格昂贵，从而限制了TiO2自支撑膜的应用。 [0004] 公开号为CN105944708A的专利，公开了一种TiO2-C@TiO2-rGO透明自支撑薄膜，其载体是由TiO2-C复合组成，外部覆有TiO2-rGO，整个自支撑膜是TiO2、C与rGO复合组成，但其并不是成分单一的TiO2自支撑膜。 发明内容[0005] 基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种TiO2透明自支撑膜及其制备方法和应用，本发明原料廉价易得，成本低，操作简单，TiO2自支撑膜不易碎裂、成分单一、透明性高、紫外光催化能力强。 [0006] 本发明提出的一种TiO2透明自支撑膜，所述TiO2透明自支撑膜由TiO2纤维交错组成，所述TiO2纤维包括芯层和壳层，壳层包覆芯层，所述芯层为纳米TiO2颗粒构成的多孔纤 维，所述壳层是由花状TiO2颗粒构成。 [0007] 优选地，所述花状TiO2颗粒由TiO2纳米柱构成或由TiO2纳米柱与TiO2纳米片构成。 [0008] 本发明还公开了上述TiO2透明自支撑膜的制备方法，包括如下步骤：将草酸钛钾溶于二甘醇水溶液中得到溶液A；将纤维素纸浸渍于溶液A中，进行水热反应，取出反应后的 材料，洗涤，干燥得到材料B；取材料B，在空气氛围下，升温至450-700℃，保温1-3h得到TiO2透明自支撑膜。 [0009] 优选地，取材料B，在空气氛围下，可以升温至460、470、480、490、500、510、520、530、540、550、560、570、580、590、600、610、620、630、640、650、660、670、680或690℃，可以保温1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8或2.9h得到TiO2透明自支撑膜。 [0010] 优选地，草酸钛钾、二甘醇的摩尔比为1：70-140。 [0011] 优选地，草酸钛钾、二甘醇的摩尔比可以为1：71、1：73、1：75、1：77、1：80、1：83、1：85、1：87、1：90、1：93、1：95、1：97、1：100、1：103、1：105、1：107、1：110、1：113、1：115、1：117、 1：120、1：123、1：125、1：127、1：130、1：133、1：135、1：137或1：139。 [0012] 优选地，二甘醇水溶液中，二甘醇和水的体积比为2：1-3。 [0013] 优选地，二甘醇水溶液中，二甘醇和水的体积比可以为2：1.1、2：1.3、2：1.5、2：1.7、2：1.9、1：1、2：2.1、2：2.3、2：2.5、2：2.7或2：2.9。 [0014] 优选地，纤维素纸的厚度为30-60μm。 [0015] 优选地，纤维素纸的厚度可以为32、34、36、38、40、42、44、46、48、49、50、52、54、56或58μm。 [0016] 优选地，纤维素纸和溶液A的重量比为1：350-450。 [0017] 优选地，纤维素纸和溶液A的重量比可以为1：355、1：360、1：365、1：370、1：375、1：380、1：385、1：390、1：395、1：400、1：405、1：410、1：415、1：420、1：425、1：430、1：435、1：440或 1：445。 [0018] 优选地，水热反应的温度为140-200℃，时间为4-10h。 [0019] 优选地，水热反应的温度可以为141、145、150、155、160、165、170、175、180、185、190、195或199℃，时间可以为4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9或9.5h。 [0020] 本发明还提出了上述TiO2透明自支撑膜作为紫外光催化剂的应用。 [0021] 上述水热反应是本领域常用技术手段。 [0022] 上述水均为去离子水。 [0023] 本发明选用草酸钛钾、二甘醇、水和纤维素纸进行水热反应，原料廉价易得，降低本发明的生产成本；在水热反应过程中，纤维素纤维发生原位矿化形成TiO2-纤维素纤维， TiO2颗粒均匀负载在该纤维表面；TiO2-纤维素纤维经煅烧后纤维素被烧掉，形成由纳米 TiO2颗粒构成的多孔纤维芯层，负载在TiO2-纤维素纤维表面的TiO2颗粒经煅烧后负载在芯 层表面构成壳层，壳层由成分单一的花状TiO2颗粒构成，花状TiO2颗粒由TiO2纳米柱构成或 由TiO2纳米柱与TiO2纳米片构成，壳层与芯层紧密连接构成TiO2纤维，TiO2纤维交错构成不 易碎裂、成分单一且透明的TiO2自支撑膜，具有该结构的TiO2自支撑膜对紫外光的利用率具 有较大的提高，使得本发明特别适用于污染物的光催化处理；本发明操作简单，调控方便， 在光催化领域具有良好的市场前景。 附图说明 [0024] 图1为纤维素纸与TiO2透明自支撑膜的光学照片，其中，a为纤维素纸的光学照片，b为TiO2透明自支撑膜的光学照片。 [0025] 图2为TiO2透明自支撑膜的显微图片。 [0026] 图3为TiO2透明自支撑膜中TiO2纤维表面花状TiO2颗粒的SEM图。 [0027] 图4为TiO2透明自支撑膜中TiO2纤维表面花状TiO2颗粒的放大SEM图，花状TiO2颗粒由TiO2纳米柱构成。 [0028] 图5为TiO2透明自支撑膜中TiO2纤维的断面照片。 [0029] 图6为TiO2透明自支撑膜紫外光降解亚甲基蓝曲线。 [0030] 图7为TiO2透明自支撑膜中TiO2纤维表面花状TiO2颗粒的SEM图，花状TiO2颗粒由TiO2纳米柱与TiO2纳米片构成。 具体实施方式[0031] 下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。 [0032] 实施例1 [0033] 一种TiO2透明自支撑膜，所述TiO2透明自支撑膜由TiO2纤维交错组成，所述TiO2纤维包括芯层和壳层，壳层包覆芯层，所述芯层为纳米TiO2颗粒构成的多孔纤维，所述壳层是 由花状TiO2颗粒构成。 [0034] 上述TiO2透明自支撑膜的制备方法，包括如下步骤：将草酸钛钾溶于二甘醇水溶液中得到溶液A；将纤维素纸浸渍于溶液A中，进行水热反应，取出反应后的材料，洗涤，干燥得到材料B；取材料B，在空气氛围下，升温至580℃，保温2h得到TiO2透明自支撑膜。 [0035] 实施例2 [0036] 一种TiO2透明自支撑膜，所述TiO2透明自支撑膜由TiO2纤维交错组成，所述TiO2纤维包括芯层和壳层，壳层包覆芯层，所述芯层为纳米TiO2颗粒构成的多孔纤维，所述壳层是 由花状TiO2颗粒构成，所述花状TiO2颗粒由TiO2纳米柱与TiO2纳米片构成。 [0037] 上述TiO2透明自支撑膜的制备方法，包括如下步骤：将草酸钛钾溶于二甘醇水溶液中得到溶液A；将厚度为30μm纤维素纸浸渍于溶液A中，调节温度至200℃，进行水热反应 4h，取出反应后的材料，洗涤，干燥得到材料B；取材料B，在空气氛围下，升温至700℃，保温 1h得到TiO2透明自支撑膜，其中，草酸钛钾、二甘醇的摩尔比为1：140，二甘醇水溶液中，二甘醇和水的体积比为2：1，纤维素纸和溶液A的重量比为1：450。 [0038] 实施例3 [0039] 一种TiO2透明自支撑膜，所述TiO2透明自支撑膜由TiO2纤维交错组成，所述TiO2纤维包括芯层和壳层，壳层包覆芯层，所述芯层为纳米TiO2颗粒构成的多孔纤维，所述壳层是 由花状TiO2颗粒构成，所述花状TiO2颗粒由TiO2纳米柱构成。 [0040] 上述TiO2透明自支撑膜的制备方法，包括如下步骤：将草酸钛钾溶于二甘醇水溶液中得到溶液A；将厚度为60μm纤维素纸浸渍于溶液A中，调节温度至140℃，进行水热反应 10h，取出反应后的材料，洗涤，干燥得到材料B；取材料B，在空气氛围下，升温至450℃，保温 3h得到TiO2透明自支撑膜，其中，草酸钛钾、二甘醇的摩尔比为1：70，二甘醇水溶液中，二甘醇和水的体积比为2：3，纤维素纸和溶液A的重量比为1：350。 [0041] 实施例4 [0042] 一种TiO2透明自支撑膜，所述TiO2透明自支撑膜由TiO2纤维交错组成，所述TiO2纤维包括芯层和壳层，壳层包覆芯层，所述芯层为纳米TiO2颗粒构成的多孔纤维，所述壳层是 由花状TiO2颗粒构成，所述花状TiO2颗粒由TiO2纳米柱与TiO2纳米片构成。 [0043] 上述TiO2透明自支撑膜的制备方法，包括如下步骤：将草酸钛钾溶于二甘醇水溶液中得到溶液A；将厚度为36μm纤维素纸浸渍于溶液A中，调节温度至180℃，进行水热反应 8h，取出反应后的材料，洗涤，干燥得到材料B；取材料B，在空气氛围下，升温至650℃，保温 1.5h得到TiO2透明自支撑膜，其中，草酸钛钾、二甘醇的摩尔比为1：135，二甘醇水溶液中，二甘醇和水的体积比为2：1.5，纤维素纸和溶液A的重量比为1：430。 [0044] 实施例5 [0045] 一种TiO2透明自支撑膜，所述TiO2透明自支撑膜由TiO2纤维交错组成，所述TiO2纤维包括芯层和壳层，壳层包覆芯层，所述芯层为纳米TiO2颗粒构成的多孔纤维，所述壳层是 由花状TiO2颗粒构成，所述花状TiO2颗粒由TiO2纳米柱构成。 [0046] 上述TiO2透明自支撑膜的制备方法，包括如下步骤：将草酸钛钾溶于二甘醇水溶液中得到溶液A；将厚度为54μm纤维素纸浸渍于溶液A中，调节温度至160℃，进行水热反应 5h，取出反应后的材料，洗涤，干燥得到材料B；取材料B，在空气氛围下，升温至500℃，保温 2.5h得到TiO2透明自支撑膜，其中，草酸钛钾、二甘醇的摩尔比为1：75，二甘醇水溶液中，二甘醇和水的体积比为2：2.5，纤维素纸和溶液A的重量比为1：370。 [0047] 实施例6 [0048] 一种TiO2透明自支撑膜，所述TiO2透明自支撑膜由TiO2纤维交错组成，所述TiO2纤维包括芯层和壳层，壳层包覆芯层，所述芯层为纳米TiO2颗粒构成的多孔纤维，所述壳层是 由花状TiO2颗粒构成，所述花状TiO2颗粒由TiO2纳米柱构成。 [0049] 上述TiO2透明自支撑膜的制备方法，包括如下步骤：将草酸钛钾溶于二甘醇水溶液中得到溶液A；将厚度为49μm纤维素纸浸渍于溶液A中，调节温度至150℃，进行水热反应 6h，取出反应后的材料，洗涤，干燥得到材料B；取材料B，在空气氛围下，升温至500℃，保温 2h得到TiO2透明自支撑膜，其中，草酸钛钾、二甘醇的摩尔比为1：105，二甘醇水溶液中，二甘醇和水的体积比为1：1，纤维素纸和溶液A的重量比为1：350。 [0050] 对实施例6进行检测，参照图1，图1为纤维素纸与TiO2透明自支撑膜的光学照片，其中，a为纤维素纸的光学照片，b为TiO2透明自支撑膜的光学照片，由图1可以看出TiO2透明自支撑膜具有良好的透明性；参照图2，图2为TiO2透明自支撑膜的显微图片，由图2可以看 出TiO2透明自支撑膜完整地保持了纤维素纸的微观结构；参照图3，图3为TiO2透明自支撑膜 中TiO2纤维表面花状TiO2颗粒的SEM图，由图3可以看出TiO2纤维表面TiO2颗粒呈花状；参照 图4，图4为TiO2透明自支撑膜中TiO2纤维表面花状TiO2颗粒的放大SEM图，花状TiO2颗粒由 TiO2纳米柱构成，由图4可以看出花状TiO2颗粒由TiO2纳米柱构成；参照图5，图5为TiO2透明自支撑膜中TiO2纤维的断面照片，由图5可以看出TiO2纤维的壳层与芯层结合良好；参照图 6，图6为TiO2透明自支撑膜紫外光降解亚甲基蓝曲线，由图6可以看出TiO2透明自支撑膜具 有高的紫外光光催化性能。 [0051] 实施例7 [0052] 一种TiO2透明自支撑膜，所述TiO2透明自支撑膜由TiO2纤维交错组成，所述TiO2纤维包括芯层和壳层，壳层包覆芯层，所述芯层为纳米TiO2颗粒构成的多孔纤维，所述壳层是 由花状TiO2颗粒构成，所述花状TiO2颗粒由TiO2纳米柱与TiO2纳米片构成。 [0053] 上述TiO2透明自支撑膜的制备方法，包括如下步骤：将草酸钛钾溶于二甘醇水溶液中得到溶液A；将厚度为49μm纤维素纸浸渍于溶液A中，调节温度至180℃，进行水热反应 6h，取出反应后的材料，洗涤，干燥得到材料B；取材料B，在空气氛围下，升温至500℃，保温 2h得到TiO2透明自支撑膜，其中，草酸钛钾、二甘醇的摩尔比为1：105，二甘醇水溶液中，二甘醇和水的体积比为1：1，纤维素纸和溶液A的重量比为1：350。 [0054] 对实施例7进行检测，参照图7，图7为TiO2透明自支撑膜中TiO2纤维表面花状TiO2颗粒的SEM图，花状TiO2颗粒由TiO2纳米柱与TiO2纳米片构成，由图7可以看出TiO2纤维表面 TiO2颗粒呈花状，花状TiO2颗粒由TiO2纳米柱与TiO2纳米片构成。 [0055] 试验例1 [0056] 对实施例2-7进行检测，检测结果如下： [0057] [0058] [0059] 试验例2 [0060] 选用实施例6进行紫外光催化性能测试，并以公开号为CN105944708A的专利中的TiO2-C@TiO2-rGO透明自支撑薄膜为对照组，结果如下： [0061]组别 亚甲基蓝被完全降解所需时间min 实施例6 120 对照组 220 [0062] 由上表可以看出，本发明紫外光催化性能高。 [0063] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其 发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 |
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