石墨烯/TiO₂纖維的制備方法

專利名稱：石墨烯/TiO₂纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能纖維材料領(lǐng)域，具體涉及一種可作為光催化劑的石墨烯/TiO2纖維復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
TiO2是一種較為有效且常用的光催化劑，但其存在著以下不足:對有機分子的吸附性差，禁帶寬度和載流子的復(fù)合幾率大，這都嚴(yán)重限制了光催化反應(yīng)的進行。石墨烯是非常好的半導(dǎo)體薄膜材料，其優(yōu)越的電子捕獲和傳輸能力，較好的光電轉(zhuǎn)化性能，比表面積較大以及對有機分子吸附親和力較強等特性可以很好的克服TiO2的不足。現(xiàn)有摻雜方法主要是TiO2和石墨烯的簡單混合，且大部分為TiO2粉末與石墨烯或者TiO2納米管與石墨烯的混合。然而，石墨烯/TiO2粉末，應(yīng)用時與液體形成顆粒懸浮體系，反應(yīng)后期細粉分離回收十分困難，催化劑流失嚴(yán)重，因而限制了其實際應(yīng)用。同時也使催化劑的表面積和體積比大大降低，嚴(yán)重影響了其催化活性。且石墨烯在TiO2納米管表面附著使得二者接觸面積大大減小，光氧化性能低，不適于光催化反應(yīng)。石墨烯/TiO2纖維正是適合這種需求的一種石墨烯與TiO2結(jié)合的應(yīng)用形式，目前尚未見有報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工藝簡單、易于實施生產(chǎn)石墨烯/TiO2纖維的方法。一種石墨烯/TiO2纖維的制備方法:(I)將0.15g 0.20g石墨烯超聲分散到四氫呋喃中，乙酰乙酸乙酯作為螯合劑，鈦酸四丁酯為鈦源，三者搖勻充分混合，82°C加熱回流Ih制得A液；(2)四氫呋喃和少量去離子水，在滴液漏斗中搖勻制得B液；(3)將B液逐滴加入磁力攪拌的A液中進行反應(yīng)，從而得到C液，C液在70°C加熱回流Ih,制得紡絲液；(4)將C液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至粘度為5Pa.s 75Pa.S，獲得透明、均勻、穩(wěn)定的紡絲液；(5)將上述紡絲液注入甩絲機進行甩絲，經(jīng)收集裝置收絲，獲得前驅(qū)體纖維；(6)將前驅(qū)體纖維置于程序升溫爐中，N2氛圍中進行25°C 450°C的程序升溫，升溫結(jié)束后自然降溫，獲得石墨烯/TiO2纖維。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢:石墨烯/TiO2纖維增大了石墨烯和TiO2的接觸面積，具有優(yōu)異的光催化性能；本發(fā)明制備的石墨烯/TiO2纖維反應(yīng)過程在N2氛圍中進行，減少了其他雜質(zhì)的引入，制得的復(fù)合材料純度較高；石墨烯/TiO2纖維易于回收，石墨烯不易脫落，減少了催化劑的流失；本發(fā)明采用常見的化工原料和簡單的合成工藝，過程簡單，易于實施，反應(yīng)中所需的溶劑四氫呋喃可重復(fù)利用，符合“綠色化學(xué)”的要求。本發(fā)明適用于飲用水處理及污水的后期深度處理。
四、具體實施例實施例1:(I)將0.15g石墨烯加入到26.2mL的四氫呋喃中，超聲分散30min,再加入1.1lmL乙酰乙酸乙酯作為螯合劑，量取19.SmL鈦酸四丁酯加入，并搖勻充分混合。在N2氣氛下加熱到82°C，并持續(xù)lh，得到A液。將200.6mL的四氫呋喃加入滴液漏斗中，然后加入1.57mL的去離子水，搖勻制得B液。A液冷卻后，在磁力攪拌的作用下，將B液逐滴加入A液中進行反應(yīng)，從而得到C液。(2)制備紡絲液。N2氣氛中，C液在70°C下加熱回流lh，得到泥漿狀的溶液。將C液轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，調(diào)節(jié)水浴溫度44°C，通過蒸發(fā)溶劑的方法濃縮溶液，使其粘度達到5Pa.s，即可獲得透明、均勻、穩(wěn)定的紡絲液。(3)紡絲。將上述紡絲液注入甩絲機，在在溫度為25°C，相對濕度為40%，離心機轉(zhuǎn)速為lOOOOr/min的條件下，將紡絲液從孔徑為0.2mm的紡絲孔高速甩出，經(jīng)收集裝置收絲，得前驅(qū)體纖維。(4)熱處理。將前驅(qū)體纖維置于程序升溫爐中，采用連續(xù)通隊裝置進行25°C 450°C的熱處理，在不同的溫度段選擇不同的升溫速率，25°C 95°C升溫速率100°C /h,42min ;95°C 250°C升溫速率 200°C /h，47min ;250°C 350°C升溫速率 50°C /h, 120min ；350°C 450°C升溫速率300°C /h, IOmin ;并在450°C保溫2h，自然降溫，即可獲得拉伸強度90MPa 1.0GPa,直徑9 μ m 20 μ m,單絲連續(xù)長度5cm 30cm, BET比表面積IOOm2/g 200m2/g,氣孔直徑5nm IOnm,晶粒粒徑IOnm 30nm,晶相為銳鈦礦相的石墨烯/TiO2短纖維。實施例2:如實施例1所述，所不同的是將步驟(2)中紡絲液的粘度達到75Pa.s,步驟(3)中紡絲方法改為干法紡絲。將紡絲液移入干法紡絲裝置中的液料罐,真空脫泡15min，在溫度為25°C相對濕度40%的條件下，對紡絲液施加2.0MPa的壓力，使其從孔徑為0.15mm的鈮鉭合金紡絲板噴出，經(jīng)牽伸和轉(zhuǎn)鼓收絲，相同的程序升溫后，最終獲得拉伸強度90MPa
1.0GPa,直徑9 μ m 20 μ m, BET比表面積IOOm2/g 200m2/g,氣孔直徑5nm IOnm,晶粒粒徑IOnm 30nm, TiO2晶相為銳鈦礦相的石墨烯/TiO2連續(xù)纖維。實施例3:如實施例2所述，所不同的是將步驟(I)中的石墨烯改為0.20g，步驟(4)中25°C 450°C的升溫程序作如下變動:25°C 95°C升溫速率100°C /h，42min，并在95°C保溫24h ;350°C 450°C升溫速率300°C /h, IOmin,并在450°C保溫Ih ;其他溫度段的升溫過程同實施例1。自然降溫，獲得拉伸強度90MPa 1.06 8，直徑94 111 2(^111，單絲連續(xù)長度5cm 50cm, BET比表面積350m2/g,氣孔直徑5nm IOnm,晶粒粒徑IOnm 30nm,其中TiO2晶相為銳鈦礦相的石墨烯/TiO2多孔連續(xù)纖維。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯/TiO2纖維的制備方法，其特征在于: (1)將0.15g 0.20g石墨烯超聲分散到四氫呋喃中，乙酰乙酸乙酯作為螯合劑，鈦酸四丁酯為鈦源，三者搖勻充分混合，82°C加熱回流Ih制得A液； (2)四氫呋喃和少量去離子水，在滴液漏斗中搖勻制得B液； (3)將B液逐滴加入磁力攪拌的A液中進行反應(yīng)，從而得到C液，C液在70°C加熱回流lh，制得紡絲液；(4)將C液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至粘度為5Pa.s 75Pa.s,獲得透明、均勻、穩(wěn)定的紡絲液； (5)將上述紡絲液注入甩絲機進行甩絲，經(jīng)收集裝置收絲，獲得前驅(qū)體纖維； (6)將前驅(qū)體纖維置于程序升溫爐中，N2氛圍中進行25°C 450°C的程序升溫，升溫結(jié)束后自然降溫，獲得石墨烯/TiO2纖維。
全文摘要
本發(fā)明提出的石墨烯/TiO2纖維復(fù)合材料的制備方法，將不同量的石墨烯超聲分散到四氫呋喃中，用乙酰乙酸乙酯作為螯合劑，鈦酸四丁酯為鈦源，混合后形成均質(zhì)石墨烯分散液，再通過磁力攪拌，加入適量的四氫呋喃和少量去離子水進行反應(yīng)，加熱回流，制得紡絲液。將上述紡絲液注入甩絲機進行甩絲，獲得前驅(qū)體纖維，將前驅(qū)體纖維置于程序升溫爐中，N2氛圍中進行25℃～450℃的程序升溫后，自然降溫，可獲得石墨烯/TiO2纖維。本發(fā)明具有優(yōu)異的光催化性能，可適用于飲用水處理及污水后期深度處理。
文檔編號B01J35/06GK103111274SQ20131006481
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者包南, 張清哲, 張成祿, 吳國林, 何隨, 關(guān)瑾 申請人:山東大學(xué)