[发明专利]一种三氧化二铁纳米片包裹纳米碳纤维催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于应用化学中的光催化领域，具体涉及一种三氧化二铁纳米片包裹纳米碳纤维复合催化剂及其制备方法。

背景技术

能源危机和环境污染已成为21世纪的全球重大问题，开发出对环境友好或者对环境影响最小的新能源解决方案，将对保持经济的可持续发展和维持适合人类居住的环境至关重要。在这方面，以水、生物质等可再生物质为原料，利用太阳能光催化分解水、二氧化碳还原、降解污染物技术则是从根本上解决能源及环境污染问题的理想途径之一，具有巨大的经济和社会效益，同时也符合我国能源安全战略与可持续发展战略的迫切需求。

考虑到太阳能光谱分布的特点，提高太阳能光催化的能量转化效率需要从带隙、带边匹配、电荷传输等方面综合的考虑。目前，已经开发出TiO₂，ZnO，Bi₂O₃，Fe₂O₃等具有可见光相应的纳米半导体氧化物，其中，窄带隙的Fe₂O₃(带隙为2.2eV)由于其低成本、简单的生产、环境友好性和优异的化学稳定性等特点，已被认为是一种有前途的催化材料。然而，Fe₂O₃中的光致电子--空穴对很难分离，这样提高其光催化效率来满足实际应用仍然是一项挑战。

最近，将催化剂与惰性支撑体耦合制备复合催化剂是一种改善电荷分离的研究的方法之一。Mu等人报道了纳米氧化锌碳纤维复合催化剂能显著提高光催化降解罗丹明B(RB)的效率。还有一些报道显示纳米碳纤维能有效地捕捉和运输的光致电子。

然而目前，上述技术还处于发展研究阶段，如何成熟高效的将Fe₂O₃催化剂与纳米碳纤维耦合制备复合催化剂，从而获得高效稳定的符合催化剂，这仍是现今工业生产中的重点和难点。

发明内容

本发明的目的即在于提供一种高效稳定的三氧化二铁纳米片包裹纳米碳纤维复合催化剂的制备方法，使其在可见光和自然太阳光催化的反应中有推广应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种三氧化二铁纳米片包裹纳米碳纤维催化剂的制备方法，其主要包括两个步骤，步骤一是有氧化铁种子的纳米聚丙烯腈基碳纤维的制备；步骤二是碳纳米纤维负载的氧化铁颗粒的制备。

较佳的，在步骤一中，首先称取Fe(NO₃)₃·9H₂O溶解于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，进行磁力搅拌，再称取聚丙烯腈(PAN)，分散至上述溶液，搅拌至溶液均一透明；接着，进行静电纺丝，制得含有硝酸铁的纳米聚丙烯腈纤维；将静电纺丝制得的含有硝酸铁的纳米聚丙烯腈纤维在一定温度下真空干燥，随后进行预氧化，接着在惰性气体气保护下进行碳化，从而制得含有氧化铁种子的纳米丙烯腈基碳纤维。

较佳的，在步骤二——碳纳米纤维负载的氧化铁颗粒的制备中，首先将步骤一中制得的含有氧化铁种子的纳米丙烯腈基碳纤维和适量的含铁盐溶液一同放入水热釜内衬中，超声处理一段时间，使得溶液和丙烯腈基碳纤维充分分散接触；盖好水热釜，拧紧不锈钢外罩，将水热釜在一定高温下水热一定时间；反应完成后，冷却至室温，用去离子水洗涤、离心若干次，得到碳纳米纤维负载的氧化铁样品。

将最终获得的碳纤维负载的氧化铁样品在烘箱中干燥，最终即可制得所述鳞片状三氧化二铁纳米片包裹纳米碳纤维催化剂。

通过本发明的实施所获得的三氧化二铁纳米片包裹纳米碳纤维复合催化剂，其催化活性优于传统的Fe₂O₃，且稳定性好，在可见光或自然太阳光催化降解有机污染物、光催化裂解水制氢、光催化合成反应等方面有广泛的应用前景。

附图说明

图1是利用本发明中复合催化剂进行甲基橙降解反应的效果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明中复合催化剂的制备主要包括两个步骤：含有氧化铁种子的聚丙烯腈基碳纤维的制备；碳纳米纤维负载的氧化铁颗粒的制备。