静电纺丝制备二氧化钛基复合纳米纤维及其光催化降解性能研究

摘要

二氧化钛具有无毒、廉价、易得等优点，是一种非常有应用前景的光催化材料。将二氧化钛做成纳米粒子或纳米纤维形态，可以有效提高二氧化钛材料的比表面积，增强其催化效率。而对纳米二氧化钛进行复合改性，一方面可以缩小二氧化钛禁带宽度，提高光谱利用率，另一方面可以促进电子-空穴对分离，提高二氧化钛光催化性能。
　　静电纺丝是迄今为止唯一能够连续制备纳米级纤维的技术。目前制备二氧化钛纳米纤维常用的聚合物有聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯腈(PAN)、聚醋酸乙烯酯（PVAC）等。与这些聚合物相比，聚乙烯醇因其良好的生物相容性、生物可降解性以及具有大量的醇羟基等特点，在静电纺丝领域得到了广泛研究。然而，由于电纺制备的PVA纤维耐水性较差，二氧化钛前驱体在水溶液中水解速度过快等问题的存在，利用聚乙烯醇(PVA)制备二氧化钛纳米纤维的报道依然很少。为了克服以上问题，本文以交联的聚乙烯醇纳米纤维作为模板，制备二氧化钛纳米纤维;以氧化石墨烯作为改性剂，改进二氧化钛光催化性能。
　　首先，将不同含量的氧化石墨烯引入PVA溶液中，静电纺丝得到PVA/GO复合纳米纤维。采用戊二醛对复合纳米纤维膜进行交联，研究戊二醛用量以及交联时间对交联效果的影响。发现戊二醛用量为7wt％，交联时间为5h时，得到的纳米纤维膜耐水解性能最好。利用场发射扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱、热分析仪、红外光谱以及拉力试验机对样品进行表征。研究表明，GO被成功引入到PVA纳米纤维中，GO不仅影响纤维表面形貌，还可以提高纳米纤维玻璃化转变温度、结晶度以及抗张强度，但使纳米纤维直径、分解温度以及断裂伸长率降低。
　　得到耐水性良好的PVA/GO复合纳米纤维膜后，利用钛酸四丁酯(TBT)水解反应，在纤维表面生长二氧化钛。本实验研究了TBT用量、溶液PH值以及反应温度对二氧化钛包覆效果的影响。结果显示，GO存在可以诱导二氧化钛纳米粒子生长，使二氧化钛纳米粒子均匀分布在纤维表面。通过XRD对PVA/GO/TiO2复合纳米纤维表征，，发现利用钛酸四丁酯直接水解得到的二氧化钛为无定形态。
　　得到PVA/TiO2与PVA/GO/TiO2复合纳米纤维之后，热处理制备二氧化钛基复合纳米纤维。透射电镜显示，空气氛围下煅烧得到中空二氧化钛纳米纤维，氮气氛围下煅烧得到内部多孔的二氧化钛基复合纳米纤维。通过XRD表征，600℃在空气及氮气氛围中热处理全部得到锐钛矿型二氧化钛，升高温度到800℃，空气氛围下得到的二氧化钛转变为金红石型，氮气氛围下得到的二氧化钛仍然有锐钛矿型结构存在，说明还原氧化石墨烯可以抑制二氧化钛晶型转变。氮气吸附-解吸附测试中发现，中空二氧化钛纳米纤维以大孔结构为主，碳化后复合纳米纤维以介孔结构为主，在P/P0=0.5处，可以观察到明显的磁滞回线。光催化降解亚甲基蓝试验中，600℃碳化处理，GO含量为12mg时，得到的二氧化钛基复合纳米纤维光催化降解效果最好。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 静电纺丝制备纳米纤维的原理和应用

2．2 二氧化钛光催化原理及其影响因素

1．3 静电纺丝制备二氧化钛纳米纤维的分类及应用

1．3．1 静电纺丝制备纯二氧化钛纳米纤维

1．3．2 静电纺丝制备不同物质掺杂的二氧化钛复合纳米纤维

1．3．3 静电纺丝制备不同结构的二氧化钛纳米纤维

1．3．4 静电纺丝制备二氧化钛纳米粒子掺杂的复合纳米纤维

1．3．5 静电纺丝技术制备聚乙烯醇／二氧化钛复合纳米纤维

1．4 研究内容和创新点

2 静电纺丝制备PVA／GO复合纳米纤维

2．1 实验仪器与实验药品

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验仪器

2．2 试验内容

2．2．1 静电纺丝制备不同GO含量的复合纳米纤维

2．2．2 耐水性PVA／GO复合纳米纤维的制备

2．2．3 复合纳米纤维膜的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同GO含量对复合纳米纤维表面形貌以及直径的影响

2．3．2 不同GA用量对复合纳米纤维耐水性的影响

2．3．3 不同交联时间对复合纳米纤维耐水性的影响

2．3．4 纳米纤维膜的Raman表征

2．3．5 纳米纤维膜的热性能测试

2．3．6 纳米纤维膜力学性能测试

2．4 本章小结

3 PVA／GO／TiO2复合纳米纤维的制备

3．1 实验仪器与实验药品

3．1．1 实验药品

3．1．2 实验仪器

3．2 实验内容

3．2．1 PVA／TiO2和PVA／GO／TiO2复合纳米纤维的制备

3．2．2 复合纳米纤维的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同体积比混合溶液对二氧化钛包覆效果的影响

3．3．2 不同氨水用量对二氧化钛生长的影响

3．3．3 不同温度下生长二氧化钛研究

3．3．4 GO加入对二氧化钛生长的影响

3．3．5 复合纳米纤维膜的XRD测试

3．4 本章小结

4 二氧化钛基复合纳米纤维制备及其光催化性能研究

4．1 实验仪器及实验药品

4．1．1 实验药品

4．1．2 实验仪器

4．2 实验内容

4．2．1 空气条件下制备二氧化钛纳米纤维

4．2．2 氮气条件下制备C／TiO2与C／RGO／TiO2复合纳米纤维

4．2．3 复合纳米纤维的光催化实验

4．2．4 复合纳米纤维的表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 不同组分的复合纳米纤维的SEM及TEM表征

4．3．2 不同材料同一温度下得到的复合纳米纤维的XRD测试

4．3．3 不同种复合纳米纤维的EDS测试

4．3．4 不同种复合材料的比表面积以及孔径分布测试

4．3．5 不同种复合材料的FTIR测试

4．3．6 光催化测试

4．4 本章小结

参考文献

作者简介

硕士期间取得的主要成果

致谢