[发明专利]钒掺杂钛酸锶纳米纤维及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了钒掺杂钛酸锶纳米纤维，其制备方法包括以下步骤：将钒掺杂钛酸锶静电纺丝前驱体溶液进行静电纺得到纤维膜；再煅烧纤维膜，得到钒掺杂钛酸锶纳米纤维；钒掺杂钛酸锶静电纺丝前驱体溶液包括钒盐、锶盐、钛盐、高聚物、溶剂。本发明的钒掺杂钛酸锶纳米纤维压电材料，在压电催化纳米材料的构建中，具有非中心对称结构，是一种优异的铁电材料，有着内部空间电荷层，可以有效地产生压电感应电荷，具有较好的压电性能，在外加超声振动下，该材料能够高效降解去除水体中的有机污染物。

技术领域

本发明涉及纳米压电材料及压电催化技术领域，具体涉及一种钒掺杂钛酸锶纳米纤维压电材料的制备方法及其用于压电催化去除水体中有机污染物的应用。

背景技术

近年来，由压电材料压电极化引起的压电效应已广泛应用于传感器、纳米发电机和压电场效应晶体管。此外，纳米结构的压电材料在光催化环境整治和水分解方面中的应用也引起了人们的广泛关注，具体表现为其压电效应可以增强光生载流子的分离，从而改善压电半导体催化剂的光催化活性。最近，研究人员发现了一种新的压电现象，称之为“压电催化”。该现象表明，即使在没有光激发的情况下，机械搅拌引起的压电势能够引发各种催化反应，例如水分解、有机污染物的降解，甚至可促进有机化合物的合成。目前，表现出压电催化活性的材料主要是具有自发极化的铁电晶体，包括BaTiO₃、BiFeO₃、Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃、MoS₂和MoSe₂。研究表明，钛酸钡和锆钛酸铅是强铁电体，具有较高的压电系数和介电常数，然而这些铁电体是高度绝缘的，其导电性较差；改善该缺点的一种解决方案是用具有类似永久极化的半导体材料代替绝缘铁电体。钛酸锶（SrTiO₃）是一种ABO₃型钙钛矿，同时也是一种初生的铁电体，已经有许多过渡金属元素掺入钛酸锶的晶格中，例如La、Nb、Ta、Cr、Ir、Mn、Rh等，由于杂质与被置换原子的尺寸不同，会造成晶格畸变，使得其结构的对称性下降，从而对钙钛矿的电性、磁性和介电性能产生较大的影响，并且对压电催化的研究仍处于早期阶段，迫切需要开发更多的新策略来增强催化活性。

发明内容

本发明的目的是提供一种钒掺杂钛酸锶纳米纤维压电材料及其制备方法，并且所构建的压电材料可以在单纯超声振动下实现对水体中有机污染物的有效降解去除。

为了达到上述目的，本发明采用如下具体技术方案：

钒掺杂钛酸锶纳米纤维（V-SrTiO₃ NFs），其制备方法包括以下步骤：将钒掺杂钛酸锶静电纺丝前驱体溶液进行静电纺得到纤维膜；再煅烧纤维膜，得到钒掺杂钛酸锶纳米纤维；钒掺杂钛酸锶静电纺丝前驱体溶液包括钒盐、锶盐、钛盐、高聚物、溶剂。

水中有机污染物的降解方法，包括以下步骤：将钒掺杂钛酸锶静电纺丝前驱体溶液进行静电纺得到纤维膜；再煅烧纤维膜，得到钒掺杂钛酸锶纳米纤维；将钒掺杂钛酸锶纳米纤维加入含有有机污染物的水中，然后进行超声处理，完成水中有机污染物的去除；钒掺杂钛酸锶静电纺丝前驱体溶液包括钒盐、锶盐、钛盐、高聚物。

本发明中，以钒盐为钒源，将钒源加入到含有锶盐、钛盐、高聚物的混合溶液中制备钒掺杂钛酸锶静电纺丝前驱体溶液；再将获得的钒掺杂钛酸锶静电纺丝前驱体溶液注入到注射器中，进行静电纺丝，得到聚合物纤维膜；然后在空气气氛下煅烧聚合物纤维，得到一维钒掺杂钛酸锶纳米纤维材料，可以用于水中有机污染物的降解，比如将钒掺杂钛酸锶纳米纤维加入含有污染物的水中，搅拌，然后进行超声处理，完成水体有机污染物的去除。