一种宽光谱吸收催化纤维及其制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种宽光谱吸收催化纤维及其制备方法与应用 (Broad-spectrum absorption catalytic fiber and preparation method and application thereof ) 是由 陈运法 李双德 聂林峰 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种宽光谱吸收催化纤维及其制备方法与应用,所述宽光谱吸收催化纤维包括催化剂载体和吸光材料。所述制备方法包括如下步骤：(1)洗涤液洗涤催化剂载体,烘干备用；(2)混合贵金属盐溶液、碳导热材料、前驱体溶液以及步骤(1)所得烘干后的催化剂载体,搅拌分散后得到催化剂前驱体；(3)将步骤(2)所得催化剂前驱体依次经过加热、离心洗涤以及烘干后得到所述宽光谱吸收催化纤维。本发明提供的宽光谱吸收催化纤维具有300-2400nm间的宽光谱吸收,用于光热分解室内和室外的VOCs具有较高的催化效率,300W氙灯光照30-60min可以实现45-96％的VOCs分解,具有良好的应用前景。(The invention provides a broad-spectrum absorption catalytic fiber and a preparation method and application thereof. The preparation method comprises the following steps: (1) washing the catalyst carrier with the washing solution, and drying for later use; (2) mixing the noble metal salt solution, the carbon heat conduction material, the precursor solution and the dried catalyst carrier obtained in the step (1), and stirring and dispersing to obtain a catalyst precursor; (3) and (3) heating, centrifugally washing and drying the catalyst precursor obtained in the step (2) in sequence to obtain the broad spectrum absorption catalytic fiber. The wide-spectrum absorption catalytic fiber provided by the invention has the wide-spectrum absorption of 300-2400nm, has higher catalytic efficiency when being used for photothermal decomposition of indoor and outdoor VOCs, can realize the decomposition of 45-96% of VOCs by the illumination of a 300W xenon lamp for 30-60min, and has good application prospect.)
技术领域
本发明属于光热催化技术领域，涉及一种吸收催化纤维，尤其涉及一种宽光谱吸收催化纤维及其制备方法与应用。
背景技术
近年来，环境污染问题成为全球关注的主要问题之一，室内装修、油烟排放的挥发性有机气体(VOCs)，以及工业排放到大气中的VOCs引起环境污染、影响人们健康。在众多的环境净化方法中，光催化、电催化等各种环境催化技术备受关注。催化氧化技术是一种较为有效的方法，在催化剂参与下，将挥发性有机气体分解成无毒的二氧化碳和水。相对于传统的热催化氧化技术的高能耗，和光催化净化技术的低效率等问题，开发光热协同净化技术是未来发展的方向。
光热催化技术是一种环境友好型技术，可以直接利用光转热源降解有机污染物，具有污染少，可循环使用等优点。其中具有宽光谱吸收的催化纤维，一方面能够提高太阳光的利用率，利用催化剂吸收太阳光转变成热，催化分解挥发性有机气体；另一方面，催化纤维可以作为整体式的催化材料，裁剪成不同尺寸大小，相比催化粉体材料，便于工程化光热协同催化分解挥发性有机气体的实际应用。
CN 112892577A公开了一种可利用近红外光的全光谱吸收的光热协同催化材料及其制备和应用。所述可利用近红外光的全光谱吸收的光热协同催化材料由质量比为1:(1-5)的可利用近红外光的光热材料和可利用紫外光的半导体光催化材料固相机械混合后光沉积具有LSPR效应的能利用可见光的Au纳米颗粒得到；所述可利用近红外光的光热材料为外表面包裹有二氧化硅层的四氧化三铁纳米颗粒。该专利针对太阳能中近红外光利用不足和光催化效率低的现状，公开了一种可利用近红外光的全光谱吸收光热协同催化材料。其主要通过机械混合的方式，组装可以吸收近红外光、紫外光和可见光的三类材料，但是机械混合的方式容易引起不同组分间混合不均匀，导致光热效率偏低的问题；另一方面，粉体催化剂不便于实现催化分解VOCs的应用。
CN 111569859A公开了一种二氧化铈复合二氧化铬含氧缺陷的光热催化剂及其制备方法与应用。所述二氧化铈复合二氧化铬含氧缺陷的光热催化剂的制备方法包括如下步骤：(1)将铈盐和铬盐加入去离子水中，水浴加热并搅拌保持1-2h，烘干，得到催化剂前驱体；(2)将前驱体研磨，在惰性气体环境或空气环境下进行煅烧，然后自然冷却，得到二氧化铈复合二氧化铬含氧缺陷的光热催化剂。该专利通过制造二氧化铈与二氧化铬复合界面形成异质结以及引入氧缺陷，提高催化活性。但存在太阳光吸收光谱窄，引起太阳光利用率低的问题。另一方面，粉体催化剂不便于实际催化分解VOCs应用。
因此，提供一种具有较宽光谱吸收的光热催化剂，提高太阳光利用率，提高催化活性，已经成为本领域亟需解决的问题之一。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种宽光谱吸收催化纤维及其制备方法与应用。本发明提供的宽光谱吸收催化纤维具有较宽的吸收光谱，吸光材料原位负载在催化剂载体上形成整体式催化材料，用于光热分解室内和室外VOCs，具有高的催化效率。
本发明所述宽光谱吸收指的是本发明提供的催化纤维的光谱吸收范围为300-2400nm。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种宽光谱吸收催化纤维，所述宽光谱吸收催化纤维包括催化剂载体和吸光材料；
所述吸光材料包括锚定有贵金属纳米颗粒和碳导热材料的Bi2MO6材料；所述Bi2MO6材料中的M为ⅥB族的元素；
所述宽光谱吸收催化纤维的吸收光谱范围为300-2400nm。
本发明提供的宽光谱吸收催化纤维具有较宽的吸收光谱，吸光材料原位负载在催化剂载体上形成整体式催化材料，用于光热分解室内和室外VOCs，具有高的催化效率，300W氙灯光照30-60min可以实现45-96％的VOCs分解，具有较好的应用前景。
优选地，所述催化剂载体包括硅酸铝纤维和/或莫来石纤维。
优选地，所述Bi2MO6材料包括Bi2MoO6材料和/或Bi2WO6材料。
优选地，所述贵金属纳米颗粒包括铂纳米颗粒和/或钯纳米颗粒。
优选地，所述贵金属纳米颗粒的平均粒径为2-10nm，例如可以是2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述贵金属纳米颗粒占Bi2MO6材料重量的0.5-2wt％，例如可以是0.5wt％、0.7wt％、1.1wt％、1.3wt％、1.5wt％、1.7wt％、1.9wt％或2wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述碳导热材料包括石墨烯量子点和/或碳量子点。
优选地，所述碳导热材料的平均粒径为2-6nm，例如可以是2nm、2.5nm、3nm、3.5nm、4nm、4.5nm、5nm、5.5nm或6nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述碳导热材料的粒径会影响吸收光谱的吸收范围以及吸光强度，粒径过大会降低吸收光谱的吸收范围和吸光强度。
优选地，所述碳导热材料占Bi2MO6材料重量的0.1-2.0wt％，例如可以是0.1wt％、0.3wt％、0.5wt％、0.7wt％、1.1wt％、1.3wt％、1.5wt％、1.7wt％、1.9wt％或2wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述碳导热材料比重过大，会致使紫外区吸光强度增大，影响光热转化效率。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述宽光谱吸收催化纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)洗涤液洗涤催化剂载体，烘干备用；
(2)混合贵金属盐溶液、碳导热材料、前驱体溶液以及步骤(1)所得烘干后的催化剂载体，搅拌分散后得到催化剂前驱体；
(3)将步骤(2)所得催化剂前驱体依次经过加热、离心洗涤与烘干后得到所述宽光谱吸收催化纤维。
本发明通过原位水热法将贵金属纳米颗粒和碳基导热材料锚定在Bi2MO6材料上，产生宽光谱吸收，高的光热转换，催化纤维具有高的表面温度，有利于提高光热催化效率。
优选地，步骤(1)所述洗涤液包括乙醇和/或丙酮。
优选地，步骤(1)所述烘干温度为40-100℃，例如可以是40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃或100℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述烘干时间为2-6h，例如可以是2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h或6h，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述催化剂载体包括硅酸铝纤维和/或莫来石纤维。
优选地，步骤(2)所述贵金属盐溶液包括氯钯酸、氯铂酸、硝酸钯、硝酸铂、氯钯酸铵、氯铂酸铵、氯钯酸钠、氯铂酸钠中的任意一种或至少两种的组合，典型非限制性的组合包括氯钯酸和氯铂酸和组合，氯钯酸和硝酸钯的组合，氯钯酸铵、氯铂酸铵和氯钯酸钠的组合，氯铂酸铵、氯钯酸钠和氯铂酸钠的组合，氯钯酸、氯铂酸、硝酸钯和硝酸铂的组合，或硝酸铂、氯钯酸铵、氯铂酸铵、氯钯酸钠和氯铂酸钠的组合。
优选地，步骤(2)所述碳导热材料包括石墨烯量子点和/或碳量子点。
优选地，步骤(2)所述前驱体溶液的制备方法为：将硝酸铋和钠盐溶解到溶剂中；
优选地，所述溶剂包括乙二醇溶液和/或乙醇溶液。
优选地，所述钠盐包括钼酸钠和/或钨酸钠。
优选地，所述硝酸铋、钠盐和溶剂的用量比为(1.6-2.4)mmol:1mmol:(30-50)mL，例如可以是1.6mmol:1mmol:30mL、2mmol:1mmol:40mL、2.4mmol:1mmol:50mL、1.6mmol:1mmol:40mL、1.8mmol:1mmol:40mL、或2.2mmol:1mmol:40mL，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，步骤(3)所述加热的温度为140-180℃，例如可以是140℃、145℃、150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃或180℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述加热的时间为6-38h，例如可以是6h、10h、14h、18h、22h、26h、30h、34h或38h，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述离心洗涤为乙醇和水分别离心洗涤2-5次，例如可以是2次、3次、4次或5次。
优选地，步骤(3)所述烘干的温度为60-110℃，例如可以是60℃、70℃、80℃、90℃、100℃或110℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述烘干的时间为6-16h，例如可以是6h、8h、10h、12h、14h或16h，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明的优选技术方案，第二方面所述宽光谱吸收催化纤维的制备方法包括如下步骤：
(1)采用乙醇和/或丙酮洗涤催化剂载体，40-100℃烘干6-16h后备用；
(2)混合贵金属盐溶液、碳导热材料、前驱体溶液以及步骤(1)所得烘干后的催化剂载体，搅拌分散后得到催化剂前驱体；所述前驱体溶液的制备方法为：将硝酸铋和钠盐溶解到乙二醇和/或乙醇溶液中；所述碳导热材料的平均粒径为2-6nm；
(3)将步骤(2)所得催化剂前驱体40-180℃下加热6-38h后，采用乙醇和水分别离心洗涤2-5次，60-110℃烘干6-16h得到所述宽光谱吸收催化纤维。
第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述宽光谱吸收催化纤维的应用，所述宽光谱吸收催化纤维用于光热分解室内和/或室外的VOCs。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的宽光谱吸收催化纤维具有300-2400nm间的宽光谱吸收，用于光热分解室内和室外的VOCs具有较高的催化效率，300W氙灯光照30min可以实现95％的VOCs分解，具有良好的应用前景；
(2)本发明提供的宽光谱吸收催化纤维的制备方法工艺稳定，可重复性好，有利于工业化生产。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供了一种宽光谱吸收催化纤维，所述宽光谱吸收催化纤维贵金属纳米颗粒占Bi2MoO6材料重量的1wt％，碳导热材料占Bi2MoO6材料重量的1.5wt％。
所述宽光谱吸收催化纤维的制备方法包括如下步骤：
(1)采用乙醇洗涤硅酸铝纤维，80℃烘干10h后备用；
(2)混合0.06mmol氯铂酸溶液、石墨烯量子点、前驱体溶液以及步骤(1)所得烘干后的硅酸铝纤维，搅拌分散后得到催化剂前驱体；所述前驱体溶液的制备方法为：将2.0mmol硝酸铋和1.0mmol钼酸钠溶液溶解到40mL乙二醇溶液中；所述石墨烯量子点的平均粒径为5nm；
(3)将步骤(2)所得催化剂前驱体150℃下加热15h后，采用乙醇和水分别离心洗涤2次，80℃烘干10h得到所述宽光谱吸收催化纤维。
本实施例提供的宽光谱吸收催化纤维的光谱吸收范围为300-2400nm。
实施例2
本实施例提供了一种宽光谱吸收催化纤维，所述宽光谱吸收催化纤维的贵金属纳米颗粒占Bi2MoO6材料重量的0.5wt％，碳导热材料占Bi2MoO6材料重量的0.1wt％。
所述宽光谱吸收催化纤维的制备方法包括如下步骤：
(1)采用乙醇洗涤硅酸铝纤维，40℃烘干16h后备用；
(2)混合0.03mmol氯铂酸铵溶液、石墨烯量子点、前驱体溶液以及步骤(1)所得烘干后的硅酸铝纤维，搅拌分散后得到催化剂前驱体；所述前驱体溶液的制备方法为：将1.6mmol硝酸铋和1.0mmol钼酸钠溶液溶解到30mL乙二醇溶液中；所述石墨烯量子点的平均粒径为2nm；
(3)将步骤(2)所得催化剂前驱体140℃下加热38h后，采用乙醇和水分别离心洗涤2次，60℃烘干16h得到所述宽光谱吸收催化纤维。
本实施例提供的宽光谱吸收催化纤维的光谱吸收范围为300-2400nm。
实施例3
本实施例提供了一种宽光谱吸收催化纤维，所述宽光谱吸收催化纤维的贵金属纳米颗粒占Bi2MoO6材料重量的2wt％，碳导热材料占Bi2MoO6材料重量的2.0wt％。
所述宽光谱吸收催化纤维的制备方法包括如下步骤：
(1)采用乙醇洗涤硅酸铝纤维，100℃烘干6h后备用；
(2)混合0.12mmol硝酸铂溶液、石墨烯量子点以及前驱体溶液以及步骤(1)所得烘干后的硅酸铝纤维，搅拌分散后得到催化剂前驱体；所述前驱体溶液的制备方法为：将2.4mmol硝酸铋和1.0mmol钼酸钠溶液溶解到50mL乙二醇溶液中；所述石墨烯量子点的平均粒径为6nm；
(3)将步骤(2)所得催化剂前驱体180℃下加热6h后，采用乙醇和水分别离心洗涤5次，110℃烘干6h得到所述宽光谱吸收催化纤维。
本实施例提供的宽光谱吸收催化纤维的光谱吸收范围为300-2400nm。
实施例4
本实施例提供了一种宽光谱吸收催化纤维，所述宽光谱吸收催化纤维的贵金属纳米颗粒占Bi2WO6材料重量的1.5wt％，碳导热材料占Bi2WO6材料重量的1wt％。
所述宽光谱吸收催化纤维的制备方法包括如下步骤：
(1)采用丙酮洗涤莫来石纤维，100℃烘干6h后备用；
(2)混合0.06mmol氯钯酸溶液、碳量子点以及前驱体溶液以及步骤(1)所得烘干后的硅酸铝纤维，搅拌分散后得到催化剂前驱体；所述前驱体溶液的制备方法为：将2mmol硝酸铋和1.0mmol钨酸钠溶液溶解到40mL乙醇溶液中；所述碳量子点的平均粒径为4.5nm；
(3)将步骤(2)所得催化剂前驱体150℃下加热10h后，采用乙醇和水分别离心洗涤3次，80℃烘干10h得到所述宽光谱吸收催化纤维。
本实施例提供的宽光谱吸收催化纤维的光谱吸收范围为300-2400nm。
实施例5
本实施例提供了一种宽光谱吸收催化纤维，所述宽光谱吸收催化纤维贵金属纳米颗粒占Bi2MoO6材料重量的1wt％，碳导热材料占Bi2MoO6材料重量的1.5wt％。
所述宽光谱吸收催化纤维的制备方法除将步骤(2)所述碳量子点的平均粒径更改为15nm，其余均与实施例1相同。
本实施例提供的宽光谱吸收催化纤维的光谱吸收范围为300-1800nm。
实施例6
本实施例提供了一种宽光谱吸收催化纤维，所述宽光谱吸收催化纤维贵金属纳米颗粒占Bi2MoO6材料重量的1wt％，碳导热材料占Bi2MoO6材料重量的1.5wt％。
所述宽光谱吸收催化纤维的制备方法除将步骤(2)所述碳量子点的平均粒径更改为1nm，其余均与实施例1相同。
本实施例提供的宽光谱吸收催化纤维的光谱吸收范围为300-2000nm。
对比例1
本对比例提供了一种催化纤维，所述催化纤维的制备方法除将步骤(2)所述混合0.06mmol氯铂酸溶液、石墨烯量子点、前驱体溶液以及步骤(1)所得烘干后的硅酸铝纤维，更换为混合0.06mmol氯铂酸溶液、前驱体溶液以及步骤(1)所得烘干后的硅酸铝纤维，其余均与实施例1相同。
本对比例提供的催化纤维的光谱吸收范围为300-1800nm。
对比例2
本对比例提供了一种催化纤维，所述催化纤维的贵金属纳米颗粒占Bi2MoO6材料重量的1wt％，碳导热材料占Bi2MoO6材料重量的1.5wt％。
所述催化纤维的制备方法包括如下步骤：
(1)采用乙醇洗涤硅酸铝纤维，80℃烘干10h后备用；
(2)混合步骤(1)所得烘干后的硅酸铝纤维、2.0mmol硝酸铋、1.0mmol钼酸钠溶液以及40mL乙二醇溶液，150℃下加热15h后，采用乙醇和水分别离心洗涤2次，80℃烘干10h后得到Bi2MoO6材料；
(3)氯铂酸的乙醇溶液等体积浸渍Bi2MoO6材料，加入石墨烯量子点后，机械研磨混合，80℃烘干10h后得到所述催化纤维。
本对比例提供的催化纤维的光谱吸收范围为300-1800nm。
对比例3
本对比例提供了一种催化纤维，所述催化纤维的贵金属纳米颗粒占Bi2MO6材料重量的1wt％，碳导热材料占Bi2MO6材料重量的1.5wt％。
所述催化纤维的制备方法除将步骤(2)所述钼酸钠更换为高铼酸钠，其余均与实施例1相同。
本对比例提供的催化纤维的光谱吸收范围为300-2000nm。
分别采用实施例1-6以及对比例1-3提供的催化纤维对甲苯进行光热催化实验，实验条件如下：催化剂使用量为200mg，反应混合器的组成为甲苯＝100ppm，氧气＝21％，氮气作平衡气，气体总流量为100mL/min，光源为300W氙灯。进口和出口甲苯气浓度采用气相色谱检测。甲苯转化率见表1。
表1
由表1可知，本发明提供的宽光谱吸收催化纤维可有效地催化分解甲苯，当贵金属负载量为1wt％时，在300W氙灯光照下，30min即可实现95％以上的甲苯分解，具有良好的应用前景。
综上所述，本发明提供的宽光谱吸收催化纤维具有300-2400nm间的宽光谱吸收，用于光热分解室内和室外的VOCs具有较高的催化效率，300W氙灯光照60min可以实现95％以上的VOCs分解，具有良好的应用前景；此外，本发明提供的宽光谱吸收催化纤维的制备方法工艺稳定，可重复性好，有利于工业化生产。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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