CN107308992A - 一种光催化纤维网及其制备方法和应用 - Google Patents

一种光催化纤维网及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光催化纤维网，由光催化复合纤维材料和框架组成；所述光催化复合纤维材料由光催化涂料涂覆在复合纤维材料表面制备而成。本发明以复合纤维材料为基体，利用复合纤维材料比表面积大的特点，提高光催化效率；并且本发明的光催化涂料中包括溶胶，溶胶和光催化剂可以在复合纤维材料表面形成自组装三维堆叠结构，提高空气中有机污染物与光催化剂的接触面积，还能增强催化剂与复合纤维材料之间的作用力，使催化剂不易脱落。本发明提供的光催化纤维网光催化效果好，可高效降解空气中的挥发性有机污染物，在空气净化装置中有广泛的应用。

Description

一种光催化纤维网及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及光催化的技术领域，特别涉及一种光催化纤维网及其制备方法和应用。
背景技术
随着人类经济活动和生产的迅速发展，在大量消耗能源的同时，也将大量的废气、烟尘物排入大气，严重影响了大气环境的质量。在一定范围的大气中，出现了原来没有的有机污染物，其数量和持续时间都有可能对人、动物、植物产生不利影响和危害。
人们一天在室内和车内的时间大约为80％以上，所以空气净化器近年来备受关注。市场现有的空气净化器对挥发性有机污染物的去除多采用吸附剂吸附以及化学络合等方法。这些方法有机污染物去除率不高，空气净化效果并不好。
光催化是一种绿色环保、环境友好型去除有机污染物的方法，具有良好的化学稳定性、热稳定性，且催化过程无毒性，对环境友好，得到了人们的广泛关注。但将光催化技术与空气净化产品结合的新领域，仍有待开发。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种光催化纤维网及其制备方法和应用。本发明提供的光催化纤维网光催化效果好，可高效降解空气中的挥发性有机污染物，在空气净化装置中有广泛的应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种光催化纤维网，由光催化复合纤维材料和框架组成；
所述光催化复合纤维材料由光催化涂料涂覆在复合纤维材料表面制备而成；所述光催化涂料包括光催化剂、溶胶和溶剂或包括分装的光催化剂分散液和溶胶溶液；
所述光催化剂为二氧化钛、二氧化钛-石墨烯复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳的复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物、二氧化钛-三氧化钨复合物、类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物、类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物、金属酞菁-三氧化钨复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳-三氧化钨的复合物、二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物中的一种或几种的混合物；
所述溶胶为硅溶胶和/或铝溶胶；
所述复合纤维材料包括聚酯网纱层和聚氨酯泡棉层。
优选的，所述溶胶的pH值为3～11；
所述溶胶的浓度为2～50wt％；
所述溶胶的粒径为1～100nm。
优选的，所述溶胶中还包括石墨烯；所述溶胶中石墨烯的含量为光催化剂质量的0.1～2％。
优选的，所述光催化涂料包括光催化剂、溶胶和溶剂时；所述光催化涂料中光催化剂的质量和溶剂的体积比为1～30g：1L；所述光催化涂料中溶胶的质量和溶剂的体积比为0.1～15g：1L；
所述光催化涂料包括分装的光催化剂分散液和溶胶溶液时；所述光催化剂分散液中光催化剂的质量和溶剂的体积比为1～30g：1L；所述溶胶溶液中溶胶的质量和溶剂的体积比为0.1～15g：1L。
优选的，所述光催化剂在复合纤维材料表面的干膜负载量为0.1～12g/m2。
优选的，所述聚酯网纱层和聚氨酯泡棉层表面独立地还包括金属层；
所述金属层的材质为镍、铝和铜中的一种或几种。
本发明提供了上述方案所述光催化纤维网的制备方法，包括以下步骤：
(1)所述光催化涂料包括光催化剂、溶胶和溶剂时，将光催化涂料喷涂于复合纤维材料表面，得到涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料；
或，所述光催化涂料包括分装的光催化剂分散液和溶胶溶液时，将光催化分散液和溶胶溶液分别喷涂于复合纤维材料表面，得到涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料。
(2)将所述涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料干燥，得到光催化复合纤维材料；
(3)将所述光催化复合纤维材料用边框进行加固，得到光催化纤维网。
优选的，所述喷涂的流量独立为50～300ml/min；所述喷涂时喷头和复合纤维材料表面的直线距离独立为5～25cm。
本发明提供了上述方案所述的光催化纤维网或上述方案所述制备方法制备的光催化纤维网在光催化中的应用。
本发明提供了一种光催化纤维网，由光催化复合纤维材料和框架组成；所述光催化复合纤维材料由光催化涂料涂覆在复合纤维材料表面制备而成；所述光催化涂料包括光催化剂、溶胶和溶剂或分装的光催化剂分散液和溶胶溶液。本发明以复合纤维材料为基体，利用复合纤维材料比表面积大的特点，提高光催化剂颗粒在复合纤维材料表面的分散均匀性，从而提高光催化效率；并且本发明的光催化涂料中还包括溶胶，溶胶和光催化剂表面均存在羟基(-OH)，二者在接触过程中脱去一个水分子(H2O)，形成新的化学键，将涂料喷涂于纤维网表面后，溶胶和光催化剂可以在复合纤维材料表面形成自组装三维堆叠结构，可以提高空气中有机污染物与光催化剂的接触面积，从而进一步提高光催化剂的利用效率；并且溶胶的加入使得催化剂与复合纤维材料之间形成隔离层，避免了催化剂腐蚀复合纤维材料的现象，还能增强催化剂与复合纤维材料之间的作用力，使催化剂不易脱落。实施例结果表明，本发明提供的光催化纤维网对甲醛的去除率可以达到99％，且对光催化纤维网水洗后进行循环试验，光催化活性无明显变化，说明本发明提供的光催化涂料与基材的结合力强，不易脱落，且光催化过程中不会对纤维网本身材质产生腐蚀。
附图说明
图1为本发明实施例1的光催化降解试验结果；
图2为本发明实施例7中聚酯纤维毡表面观察结果。
具体实施方式
本发明提供了一种光催化纤维网，由光催化复合纤维材料和框架组成；所述光催化复合纤维材料由光催化涂料涂覆在复合纤维材料表面制备而成；所述光催化涂料包括光催化剂、溶胶和溶剂或包括分装的光催化剂分散液和溶胶溶液；
所述光催化剂为二氧化钛、二氧化钛-石墨烯复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳的复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物、二氧化钛-三氧化钨复合物、类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物、类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物、金属酞菁-三氧化钨复合物、类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳-三氧化钨的复合物、二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物中的一种或几种的混合物。
在本发明中，所述光催化剂包括二氧化钛时；所述二氧化钛优选为锐钛矿晶型二氧化钛或者混晶型二氧化钛；所述二氧化钛的粒径优选为5～800nm，更优选为15～600nm，最优选为50～500nm；本发明对所述二氧化钛的来源没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知来源的二氧化钛即可，如市售的二氧化钛。
在本发明中，所述光催化剂包括二氧化钛-石墨烯复合物时，所述二氧化钛-石墨烯复合物中二氧化钛和石墨烯的质量比优选为100：0.1～2，更优选为100：0.2～1；本发明对所述二氧化钛-石墨烯复合物的来源没有特殊要求，使用从市场上购买的商品或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可。在本发明的具体实施例中，所述二氧化钛-石墨烯复合物优选由二氧化钛和石墨烯直接混合而成；本发明对所述石墨烯的种类没有特殊要求，优选为单层石墨烯、多层石墨烯、或单层石墨烯和多层石墨烯的混合物；所述多层石墨烯的厚度优选为0.3～50nm，更优选为5～40nm。
在本发明中，所述光催化剂包括二氧化钛-类石墨相氮化碳复合物时；所述二氧化钛-类石墨相氮化碳复合物中二氧化钛和类石墨相氮化碳的质量比优选为100：2～100，更优选为100：5～25；本发明对二氧化钛-类石墨相氮化碳复合物的来源没有特殊要求，使用市售的二氧化钛-类石墨相氮化碳复合物商品或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可；在本发明的具体实施例中，优选将二氧化钛和类石墨相氮化碳直接混合得到二氧化钛-类石墨相氮化碳复合物。
本发明对所述类石墨相氮化碳(g-C3N4)的种类没有特殊要求，优选为单层类石墨相氮化碳和/或多层类石墨相氮化碳；所述类石墨相氮化碳的厚度优选为0.3～50nm，更优选为5～40nm；本发明对所述类石墨相氮化碳的来源没有特殊限定，使用市售的类石墨相氮化碳商品或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可。
在本发明的具体实施例中，所述类石墨相氮化碳(g-C3N4)的制备方法优选包括以下步骤：将尿素进行热处理，得到类石墨相氮化碳。在本发明中，所述热处理的温度温度优选为300～650℃，更优选为350～600℃，最优选为500～550℃；所述热处理的时间优选为3～8h，更优选为4～7h，最优选为5～6h。本发明优选自室温升温至热处理温度，所述升温至所述热处理温度的升温速率优选为1～6℃/min，更优选为2～4℃/min。本发明优选在空气气氛、常压下进行热处理；本发明对热处理所采用的设备没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的用于进行热处理的设备即可，具体的如管式炉或箱式炉。
在本发明中，所述光催化剂包括二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物时；所述二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物中二氧化钛、类石墨相氮化碳和金属酞菁的质量比优选为45～74：25～50：0.5～6，更优选为55～65:30～40:1～4；本发明对所述二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物的来源没有特殊要求，使用市售的二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可。在本发明的具体实施例中，优选根据申请号为201610699773.2的专利中的方法进行制备。
在本发明中，所述用于制备二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物的原料类石墨相氮化碳以及二氧化钛的种类和来源与上述方案一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述用于制备二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物的原料金属酞菁具有式I所示结构：
式I中，M为过渡金属离子，本发明对于所述过渡金属离子的种类没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的能够与酞菁形成配合物的过渡金属离子即可，在本发明的具体实施例中，所述过渡金属离子优选包括锌离子、铁离子、铜离子或钴离子；所述R为-H、-NH2、-Cl、-F、-COOH、-NHCOCH3、-NHSO3H或-SO3H，R的取代位点可以是苯环上4个取代位点中的任意一个。
本发明对所述金属酞菁的来源没有特殊要求，使用金属酞菁市售商品或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可；在本发明的具体实施例中，优选使用邻苯二腈法或苯酐尿素法进行金属酞菁的制备，具体参考文献(吕汪洋.催化功能纤维降解染料等有机污染物的研究.浙江理工大学,2010)中的方法制备。
在本发明中，所述包括金属酞菁的复合物光催化剂中，金属酞菁可以负载在其他成分表面(二氧化钛、类石墨相氮化碳等)，使二氧化钛、类石墨相氮化碳等成分敏化，拓宽光催化剂的可见光相应范围，提高光能利用率。
在本发明中，所述光催化剂包括二氧化钛-三氧化钨复合物时；所述二氧化钛-三氧化钨复合物中二氧化钛和三氧化钨的质量比优选为100：2～1000，更优选为100：5～300；本发明对二氧化钛-三氧化钨复合物的来源没有特殊要求，使用市售的二氧化钛-三氧化钨复合物商品或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可。在本发明的具体实施例中，优选将二氧化钛、三氧化钨直接混合得到二氧化钛-三氧化钨复合物；所述二氧化钛的种类及来源和上述方案一致，在此不再赘述；所述三氧化钨的粒径优选为5～500nm，更优选为10～400nm，最优选为50～300nm。
在本发明中，所述光催化剂包括类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物时；所述类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物中类石墨相氮化碳和三氧化钨的质量比优选为100：10～1000，更优选为100：20～500；本发明对类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物的来源没有特殊要求，使用市售的类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物商品或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可；在本发明的具体实施例中，优选将类石墨相氮化碳和三氧化钨直接混合得到类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物；所述类石墨相氮化碳和三氧化钨的种类及来源和上述方案一致，在此不再赘述；
在本发明中，所述催化剂包括类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物时，所述类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物中类石墨相氮化碳和金属酞菁的质量比优选为100：0.05～10，更优选为100：0.1～5；本发明对类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物的来源没有特殊要求，使用市售的类石墨相氮化碳-金属酞菁商品或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可；在本发明的具体实施例中，优选根据参考文献(Lu Wangyang,Xu Tiefeng,Wang Yu,etal.Synergistic photocatalytic properties and mechanism of g-C3N4coupled withzinc phthalocyanine catalyst under visible light irradiation.Catal.B-Environ.180(2016)20-28)中公开的方法制备。
在本发明中，所述光催化剂包括金属酞菁-三氧化钨复合物时；所述金属酞菁-三氧化钨复合物中金属酞菁和三氧化钨的质量比优选为0.05～10：100，更优选为0.1～5：100；本发明对金属酞菁-三氧化钨复合物的来源没有特殊要求，使用市售的金属酞菁-三氧化钨复合物商品或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可；所述用于制备金属酞菁-三氧化钨复合物的原料金属酞菁以及三氧化钨的种类和来源与上述方案一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述光催化剂包括二氧化钛-类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物时；所述二氧化钛-类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物中二氧化钛、类石墨相氮化碳和三氧化钨的质量比优选为15～90：2～50：5～80，更优选为30～90：5～40：10～70；本发明对所述二氧化钛-类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物的来源没有特殊要求，使用市售的二氧化钛-类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物商品或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可；在本发明的具体实施例中，优选将二氧化钛、类石墨相氮化碳和三氧化钨直接混合制备二氧化钛-类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物；所述用于制备二氧化钛-类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物的原料二氧化钛、类石墨相氮化碳、三氧化钨的种类和来源与上述方案一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述光催化剂包括二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物时；所述二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物中二氧化钛、金属酞菁和三氧化钨的质量比优选为10～90：0.1～10：5～90，更优选为25～90：0.2～5：10～80；本发明对所述二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物的来源没有特殊要求，使用市售的二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物商品或使用本领域技术人员熟知的方法进行制备均可；在本发明的具体实施例中，所述二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物的制备方法与上述二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物的制备方法相似，将其中的类石墨相氮化碳替换为三氧化钨即可；所述用于制备二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物的原料二氧化钛、金属酞菁、三氧化钨的种类和来源与上述方案一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述光催化剂为上述几种光催化剂中两种或两种以上的混合物；当所述光催化剂为混合物时，本发明对所述光催化剂混合物中的光催化剂种类及质量比没有特殊要求，使用任意种类的光催化剂以任意质量比进行混合均可。
在本发明中，所述溶胶为硅溶胶和/或铝溶胶；所述溶胶的pH值优选为3～11，更优选为6～10，最优选为7～9；所述溶胶的浓度优选为2～50wt％，更优选为10～30wt％，最优选为15～25wt％；所述溶胶的粒径优选为1～100nm，更优选为5～50nm，最优选为8～20nm。在本发明中，所述溶胶为硅溶胶和铝溶胶的混合物时，本发明对混合物中硅溶胶和铝溶胶的质量比没有特殊要求，采用任意的质量比进行混合均可。本发明对所述溶胶的来源没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知来源的溶胶即可，如市售的溶胶。
在本发明中，所述溶胶中优选还含有石墨烯；所述溶胶中石墨烯的质量优选为光催化剂质量的0.1～2％，更优选为0.5～1.5％；在本发明的具体实施例中，优选将石墨烯直接和溶胶进行混合，使石墨烯在溶胶中分散均匀即可；在溶胶中掺入石墨烯有利于电子的传输，可以提高光催化剂的催化活性。
本发明提供的光催化涂料中包含溶胶，所述溶胶和光催化剂脱水形成新的化学键，将涂料喷涂于复合纤维材料表面后，溶胶和光催化剂可以在复合纤维材料表面形成自组装三维堆叠结构，可以提高有机污染物与光催化剂的接触面积，从而提高光催化剂的利用效率；并且溶胶的加入使得催化剂与复合纤维材料之间形成隔离层，避免了催化剂腐蚀复合纤维材料的现象，还能增强催化剂与复合纤维材料之间的作用力，使催化剂颗粒不易脱落。
在本发明中，所述溶剂优选为水或水和乙醇的混合物；当所述溶剂包括水和乙醇时，所述水和乙醇的混合物中水和乙醇的体积比优选为19:1～1:19，更优选为10:1～1:19，最优选为5:1～1:19。
在本发明中，所述光催化涂料包括光催化剂、溶胶和溶剂时；所述光催化涂料中光催化剂的质量和溶剂的体积比优选为1～30g：1L，更优选为3～20g:1L，最优选为5～15g:1L；所述光催化涂料中溶胶的质量和溶剂的体积比优选为0.1～15g：1L，更优选为0.3～10g:1L，最优选为0.5～5g:1L。
在本发明中，所述光光催化涂料包括光催化剂、溶胶和溶剂时，所述光催化涂料的制备方法优选包括以下步骤：
将光催化剂和溶剂进行第一超声混合，得到光催化剂分散液；
将光催化剂分散液和溶胶进行第二超声混合，得到光催化涂料。
本发明将光催化剂和溶剂进行第一超声混合，得到光催化剂分散液。在本发明中，所述第一超声混合的功率优选为200～500W，更优选为300～400W；所述第一超声混合的时间优选为0.25～2h，更优选为0.4～1.5h，最优选为0.5～1h。
得到光催化剂分散液后，本发明将光催化剂分散液和溶胶进行第二超声混合，得到光催化涂料。在本发明中，所述第二超声混合的功率优选为200～500W，更优选为300～400W；所述第二超声混合的时间优选为0.25～2h，更优选为0.4～1.5h，最优选为0.5～1h。
在本发明中，所述光催化涂料包括分装的光催化剂分散液和溶胶溶液时；所述光催化剂分散液中光催化剂的质量和溶剂的体积比优选为1～30g：1L，更优选为3～20g:1L，最优选为5～15g:1L；所述溶胶溶液中溶胶的质量和溶剂的体积比为0.1～15g：1L，更优选为0.3～10g:1L，最优选为0.5～5g:1L。
在本发明中，所述光催化涂料包括分装的光催化剂分散液和溶胶溶液时，所述光催化剂分散液的制备方法优选和上述方案相同，在此不再赘述。
在本发明中，所述溶胶溶液的制备方法优选包括以下步骤：将溶胶和溶剂混合后超声，得到溶胶溶液。在本发明中，所述超声的功率优选为200～500W，更优选为300～400W；所述超声的时间优选为0.25～2h，更优选为0.4～1.5h，最优选为0.5～1h。
在本发明中，所述复合纤维材料包括聚酯网纱层和聚氨酯泡棉层；在本发明的部分具体实施例中，所述复合纤维材料优选包括间隔叠层的聚酯网纱层和聚氨酯泡棉层；更优选优选由一层聚酯网纱层和一层聚氨酯泡棉层组成；所述聚酯网纱层的厚度优选为0.2～1mm，更优选为0.3～0.8mm；所述聚氨酯泡棉层的厚度优选为0.8～3mm，更优选为1～2.5mm；在本发明的另一部分具体实施例中，所述复合纤维材料优选为夹芯结构；所述夹芯结构优选包括芯层、上表面层和下表面层；所述芯层优选为聚氨酯泡棉层；所述上表面层和下表面层优选为聚酯网纱层；所述聚氨酯泡棉层和上下表面层的聚酯网纱层的厚度优选和上述方案一致，在此不再赘述。
在本发明中，所述聚酯网纱层和聚氨酯泡棉层表面优选独立地还包括金属层；所述金属层的材质优选为镍、铝和铜中的一种或几种；所述金属层的厚度优选为50～5000nm，更优选为100～4500nm，最优选为500～4000nm；本发明选择包括金属层的复合纤维材料，可以避免光催化剂颗粒和聚酯网纱层或聚氨酯泡棉层直接接触，避免催化剂对载体的腐蚀现象。
在本发明中，所述复合纤维材料的孔径优选为5～200PPI，更优选为20～150PPI；本发明对所述复合纤维材料的面积没有特殊要求，在本发明的具体实施例中，优选根据实际需求确定复合纤维材料的面积。本发明对所述复合纤维材料的来源没有特殊限制，使用本领域技术人员熟知来源的、符合上述要求的复合纤维材料即可，如市售的复合纤维材料。
在本发明中，所述光催化剂在复合纤维材料表面的干膜负载量优选为0.1～10g/m2，更优选为0.3～5g/m2，最优选为0.5～3g/m2。
本发明提供的光催化纤维网还包括框架。在本发明中，所述框架优选为高分子材料框架；更优选为聚酯框架；本发明利用框架对光催化复合纤维材料进行固定，形成光催化纤维网。
本发明提供了上述方案所述光催化纤维网的制备方法，包括以下步骤：
(1)当所述光催化涂料包括光催化剂、溶胶和溶剂时，将光催化涂料喷涂于复合纤维材料表面，得到涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料；
或，当所述光催化涂料包括分装的光催化分散液和溶胶溶液时，将光催化分散液和溶胶溶液分别喷涂于复合纤维材料表面，得到涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料；
(2)将所述涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料干燥，得到光催化复合纤维材料；
(3)将所述光催化复合纤维材料用边框进行加固，得到光催化纤维网。
在本发明中，当所述光催化涂料包括光催化剂、溶胶和溶剂时，将光催化涂料喷涂于复合纤维材料表面，得到涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料。在本发明中，所述喷涂的流量优选为50～300ml/min，更优选为60～250ml/min，最优选为75～200ml/min；所述喷涂时喷头和复合纤维材料的直线距离优选为5～25cm，更优选为7～20cm，最优选为10～15cm；所述光催化涂料在复合纤维材料表面的喷涂量优选为50～1000ml/m2，更优选为100～800ml/m2。
在本发明中，当所述光催化涂料包括分装的光催化分散液和溶胶溶液时，将光催化分散液和溶胶溶液分别喷涂于复合纤维材料表面，得到涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料。本发明对所述光催化剂分散液和溶胶溶液的喷涂顺序没有特殊要求，可以先喷涂光催化剂分散液，再喷涂溶胶溶液，也可以先喷涂溶胶溶液，再喷涂光催化剂分散液。在本发明中，所述光催化分散液和溶胶溶液的喷涂流量优选独立为50～300ml/min，更优选为60～250ml/min，最优选为75～200ml/min；所述喷涂时喷头和复合纤维材料表面的直线距离优选独立为5～25cm，更优选为7～20cm，最优选为10～15cm。
在本发明中，当所述复合纤维材料为夹芯结构时，因为复合纤维材料具有网状结构，在喷涂过程中，涂料会渗透进入复合纤维材料内部，因而夹芯结构的芯层(聚氨酯泡棉层)上也会有催化剂颗粒和溶胶颗粒的附着。在本发明的具体实施例中，可以对复合纤维材料进行单面喷涂，也可以进行双面喷涂。
在本发明中，所述光催化涂料湿膜的厚度优选为50nm～200μm，更优选为200nm～50μm。
得到涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料后，本发明将所述涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料干燥，得到光催化复合纤维材料。本发明对所述干燥的具体方式没有特殊要求，能够将涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料表面的溶剂去除完全即可；在本发明的具体实施例中，所述干燥优选为室温晾干或烘干；所述烘干的温度优选为80～200℃，更优选为100～150℃；本发明对晾干或烘干的时间没有特殊要求，能够将溶剂去除完全即可。本发明通过干燥将光催化涂料中的溶剂去除，溶剂去除后光催化剂和溶胶以催化剂颗粒和溶胶颗粒的形态负载在复合纤维材料表面，二者可以形成三维堆叠结构。
在本发明的具体实施例中，为保证复合纤维材料表面的催化剂负载量达到上述要求，可进行多次喷涂-干燥，即将涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料干燥后，再在所得光催化纤维网表面进行再次喷涂，然后干燥，依次类推，直至复合纤维材料表面的光催化剂负载量符合上述要求；在本发明的具体实施例中，检测干燥后复合纤维材料表面的光催化剂负载量，再根据所需光催化剂的负载量来确定喷涂-干燥的次数。
得到光催化复合纤维材料后，本发明将所述光催化复合纤维材料用边框进行加固，得到光催化纤维网。本发明对所述加固的具体方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的加固方法即可。
本发明还提供了上述方案所述的光催化纤维网或上述方案所述制备方法制备的光催化纤维网在光催化中的应用。在本发明中，所述光催化纤维网优选应用于空气净化中，具体的如空气净化器等装置；在本发明中，所述空气净化主要是对挥发性有机污染物的催化氧化，所述挥发性有机污染物优选包括甲醛、巯基乙醇、甲苯、烃类或苯系物等室内挥发性有机污染物或化合物。
本发明所述的光催化纤维网对光催化响应光源没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的光催化响应光源均可，具体的如紫外光、太阳光、日光灯、荧光灯、LED灯、氙灯和氘灯等。
下面结合实施例对本发明提供的光催化纤维网及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)将1g粒径为300nm的锐钛矿晶型TiO2置于锥形瓶中，加入100ml混合溶剂，400W下超声0.5h，得到光催化剂分散液；所述混合溶剂中去离子水与乙醇的体积比为5:3。
(2)取0.5ml硅溶胶置于锥形瓶中，加入99.5ml混合溶剂，400W下超声0.5h，得到溶胶溶液；所述混合溶剂中去离子水与乙醇的体积比为5:3；所述硅溶胶浓度为20±1wt％，pH为7.5，溶胶粒径大小为10～20nm。
(3)取330*420mm大小的复合纤维材料(上下表面层为聚酯网纱层，厚度均为0.5mm，夹芯层为聚氨酯泡棉层，厚度为1mm，聚酯网纱层和聚氨酯泡棉层表面均镀有100nm的镍金属层)，将(2)中的溶胶溶液装于高压电动喷枪中进行喷涂，喷枪流量设为100ml/min，喷涂距离为15cm；再将(1)中的光催化剂分散液装于高压电动喷枪中进行喷涂，喷枪流量设为100ml/min，喷涂距离为15cm。喷涂完成后在80℃烘箱中烘干处30min，重复上述喷涂、烘干步骤一次，得到光催化剂负载量为1g/m2的光催化复合纤维材料。
(4)将步骤(3)中得到的光催化复合材料用聚酯边框进行加固，得到光催化空气净化纤维网。
光催化降解试验：在紫外灯下，将本实施例制备得到的光催化纤维网置于密封箱体中对甲醛进行光催化降解实验，箱体中有甲醛检测仪对甲醛浓度进行实时监控，每15min读取一次数据并记录。其中，甲醛的的初始浓度为0.8mg/m3，反应温度为25℃，测试密封箱体大小为1m3，紫外灯为30W，反应时间为1h，所得结果如图1所示。
根据图1可以看出，在1h时，对甲醛的去除率达80％以上。说明本发明提供的光催化纤维网对光的利用率较高，能有效对空气中的挥发性有机物进行催化氧化，在空气净化中具有良好的应用前景。
光催化降解循环试验：将完成一次光催化降解实验的光催化纤维网用去离子水洗涤三遍，在60℃下烘干，然后按照上述步骤进行光催化降解试验，然后再对光催化纤维网进行水洗、烘干和光催化降解试验，重复进行6次。实验结果表明，经6次循环试验后，光催化纤维网对甲醛的去除率仍可以达到80％以上，说明催化活性基本无变化，说明本发明的光催化剂颗粒和纤维网的结合力强，不易脱落。
实施例2
(1)将1g粒径为25nm的锐钛矿晶型TiO2置于锥形瓶中，加入100ml混合溶剂，400W下超声0.5h，得到TiO2分散液；所述混合溶剂中去离子水与乙醇的体积比为3:2；在所述TiO2分散液中加入0.5ml的硅溶胶，400W下超声0.5h，得到光催化涂料；所述硅溶胶pH为7.5，浓度为20±1wt％，溶胶粒径大小为10～20nm。
(2)取330*420mm大小的复合纤维材料(上下表面层为聚酯网纱层，厚度均为1mm，夹芯层为聚氨酯泡棉层，厚度为1.5mm)，将步骤(1)中的光催化涂料装于高压电动喷枪中进行喷涂；喷枪流量设为100ml/min，喷涂距离为15cm；喷涂完成后在100℃烘箱中烘干处理30min，得到光催化剂负载量为0.5g/m2的光催化复合纤维材料。
(3)将步骤(2)中得到的光催化复合材料用聚酯边框进行加固，得到光催化空气净化纤维网。
按照实施例1中的光催化降解试验方法对所得光催化纤维网进行光催化降解实验，其中，甲醛的的初始浓度为0.8mg/m3，反应温度为25℃，测试密封箱体大小为1m3，紫外灯为30W，反应时间为1h，在30min时，光催化纤维网对甲醛的去除率达75％以上。
按照实施例1中的方法进行光催化降解循环试验，6次循环试验后，光催化纤维网对甲醛的去除率仍可达到75％以上。
实施例3
(1)将15g尿素置于带有盖子的半封闭氧化铝坩埚中，在管式炉中以2℃/min的升温速率升至550℃并维持5h，得到g-C3N4。
(2)将0.5g粒径为50nm的锐钛矿晶型TiO2和步骤(1)中0.5g的g-C3N4置于锥形瓶中，加入100ml混合溶剂，400W下超声0.5h，得到光催化剂分散液。所述混合溶剂中去离子水与乙醇的体积比为5:1；在所述光催化剂分散液中加入1.25ml的硅溶胶，400W下超声0.5h，得到光催化涂料；所述硅溶胶pH为10，浓度为20±1wt％，溶胶粒径大小为10～20nm。
(3)取330*420mm大小的复合纤维材料(上下表面层为聚酯网纱层，厚度均为1mm，夹芯层为聚氨酯泡棉层，厚度为1.5mm，聚酯网纱层和聚氨酯泡棉层表面均镀有100nm的铜金属层)，将步骤(2)中的光催化涂料装于高压电动喷枪中进行喷涂，喷枪流量设为100ml/min，喷涂距离为15cm；喷涂完成后在100℃烘箱中烘干处理30min，得到光催化剂负载量为0.75g/m2的光催化复合纤维材料。
(4)将步骤(3)中得到的光催化复合材料用聚酯边框进行加固，得到光催化空气净化纤维网。
按照实施例1中的光催化降解试验方法对所得光催化纤维网进行光催化降解实验，其中，甲醛的的初始浓度为0.8mg/m3，反应温度为25℃，测试密封箱体大小为1m3，紫外灯为30W，反应时间为1h，在30min时，光催化纤维网对甲醛的去除率达80％以上。
按照实施例1中的方法进行光催化降解循环试验，6次循环试验后，光催化纤维网对甲醛的去除率仍可达到80％以上。
实施例4
(1)将15g尿素置于带有盖子的半封闭氧化铝坩埚中，在管式炉中以1℃/min的升温速率升至530℃并维持5.5h，得到g-C3N4。
将g-C3N41.0g与100mLN，N-二甲基甲酰胺混合，500W下超声5h，得到g-C3N4分散液；将粒径为50nm的锐钛矿型TiO22.0g与100mLN，N-二甲基甲酰胺混合，200W下超声8h，得到TiO2分散液；将所述g-C3N4分散液和TiO2分散液混合，500rpm下搅拌2h，得到混合分散液；
将无取代铁酞菁(FePc)40mg与50mLN，N-二甲基甲酰胺混合，200W下超声30h，得到无取代铁酞菁溶液；
将混合分散液以50mL/h的速度滴加到无取代铁酞菁溶液中，45℃下反应8h，将反应结束后得到的物料用G6砂芯漏斗过滤，用N，N-二甲基甲酰胺洗涤3次，并用0.2mol/L的NaOH溶液和0.1mol/L的H2SO4分别洗涤2次，最后用超纯水洗至中性，于-60℃冷冻干燥16h，得到二氧化钛与类石墨相氮化碳和铁酞菁复合光催化剂(g-C3N4/FePc/TiO2)。
(2)将步骤(1)中1g的g-C3N4/FePc/TiO2置于锥形瓶中，加入100ml混合溶剂，400W下超声0.5h，得到光催化剂分散液，所述混合溶剂中去离子水与乙醇的体积比为5:3；
取2ml硅溶胶，用去离子水稀释100倍，得到溶胶溶液，所述硅溶胶浓度为20±1wt％，pH为7.5，溶胶粒径大小为8～15nm。
(3)取330*420mm大小的复合纤维材料(上下表面层为聚酯网纱层，厚度均为1mm，夹芯层为聚氨酯泡棉层，厚度为1.5mm，聚酯网纱层和聚氨酯泡棉层表面均镀有100nm的铝金属层)，将步骤(2)中的光催化剂分散液装于高压电动喷枪中进行喷涂，然后倒出剩余光催化剂分散液，再将步骤(2)中的溶胶溶液装于高压电动喷枪中进行喷涂；喷枪流量设为100ml/min，喷涂距离为15cm，喷涂完成后在100℃烘箱中烘干处理30min，再重复上述喷涂步骤一次，再放入125℃烘箱中烘干处理20min，得到光催化剂负载量为0.3g/m2的光催化复合纤维材料。
(4)将步骤(3)中得到的光催化复合材料用聚酯边框进行加固，得到光催化空气净化纤维网。
按照实施例1中的光催化降解试验方法对所得光催化纤维网进行光催化降解实验，其中，甲醛的的初始浓度为0.8mg/m3，反应温度为25℃，测试密封箱体大小为1m3，紫外灯为30W，反应时间为1h，在30min时，光催化纤维网对甲醛的去除率达85％以上。
按照实施例1中的方法进行光催化降解循环试验，6次循环试验后，光催化纤维网对甲醛的去除率仍可达到85％以上。
实施例5
(1)将15g尿素置于带有盖子的半封闭氧化铝坩埚中，在管式炉中以1℃/min的升温速率升至545℃并维持6h，得到g-C3N4；
(2)将0.3g三氧化钨和步骤(1)中0.7g的g-C3N4置于锥形瓶中，加入100ml混合溶剂，400W下超声0.5h，得到光催化剂分散液；所述混合溶剂中去离子水与乙醇的体积比为1:1；在所述光催化剂分散液中加入1.5ml的硅溶胶，400W下超声0.5h，得到光催化涂料；所述硅溶胶pH为7.5，浓度为20±1wt％，溶胶粒径大小为10～20nm。
(3)取330*420mm大小的复合纤维材料(上下表面层为聚酯网纱层，厚度均为1mm，夹芯层为聚氨酯泡棉层，厚度为1.5mm，聚酯网纱层和聚氨酯泡棉层表面均镀有100nm的铝金属层)，将步骤(2)中的光催化涂料装于高压电动喷枪中进行喷涂，喷枪流量设为150ml/min，喷涂距离为15cm；喷涂完成后在125℃烘箱中烘干处理30min，得到光催化剂负载量为0.75g/m2的光催化复合纤维材料。
(4)将步骤(3)中得到的光催化复合材料用聚酯边框进行加固，得到光催化空气净化纤维网。
按照实施例1中的光催化降解试验方法对所得光催化纤维网进行光催化降解实验，其中，甲醛的的初始浓度为0.8mg/m3，反应温度为25℃，测试密封箱体大小为1m3，紫外灯为30W，反应时间为1h，在30min时，光催化纤维网对甲醛的去除率达85％以上。
按照实施例1中的方法进行光催化降解循环试验，6次循环试验后，光催化纤维网对甲醛的去除率仍可达到85％以上。
实施例6
(1)将15g尿素置于带有盖子的半封闭氧化铝坩埚中，在管式炉中以1℃/min的升温速率升至550℃并维持4h，得到g-C3N4。
(2)将0.3g三氧化钨和步骤(1)中0.7g的g-C3N4置于锥形瓶中，加入100ml混合溶剂，400W下超声0.5h，得到光催化剂分散液；所述混合溶剂中去离子水与乙醇的体积比为3:2；
取2.5ml硅溶胶，用去离子水稀释100倍，得到溶胶溶液；所述硅溶胶浓度为20±1wt％，pH为7.5，溶胶粒径大小为8～15nm。
(3)取330*420mm大小的复合纤维材料(上下表面层为聚酯网纱层，厚度均为1mm，夹芯层为聚氨酯泡棉层，厚度为1.5mm，聚酯网纱层和聚氨酯泡棉层表面均镀有100nm的铝金属层)，将步骤(2)中的溶胶溶液装于高压电动喷枪中进行喷涂，然后倒出剩余溶液，再将(2)中的光催化剂分散液装于高压电动喷枪中进行喷涂；喷枪流量设为150ml/min，喷涂距离为15cm，喷涂完成后在115℃烘箱中烘干处理30min，得到光催化剂负载量为0.5g/m2的光催化复合纤维材料。
按照实施例1中的光催化降解试验方法对所得光催化纤维网进行光催化降解实验，其中，甲醛的的初始浓度为0.8mg/m3，反应温度为25℃，测试密封箱体大小为1m3，紫外灯为30W，反应时间为1h，在30min时，光催化纤维网对甲醛的去除率达90％以上。
按照实施例1中的方法进行光催化降解循环试验，6次循环试验后，光催化纤维网对甲醛的去除率仍可达到90％以上。
实施例7
为了更容易观察到光催化过程纤维网基材是否容易受到腐蚀，本实施例将光催化剂喷涂于和纤维网材质相同的白色聚酯纤维毡表面进行光催化实验，观察现象，具体步骤如下：
(1)将实施例1步骤(1)制备的TiO2分散液和步骤(2)制备的溶胶溶液喷涂于聚酯纤维毡表面，喷枪流量设为100ml/min，喷涂距离为15cm，喷涂量约为0.5ml，喷涂完成后在100℃烘箱中烘干处理15min，重复上述喷涂、烘干步骤一次，得到实验组；
(2)将实施例1步骤(1)中制备的TiO2分散液(即不包括溶胶的光催化涂料)喷涂于聚酯纤维毡表面，喷涂条件和(1)中一致，得到对照组；
将上述对照组与实验组在400W紫外灯下进行照射，照射距离为30cm，照射时间为8h，观察照射完成后聚酯纤维毡表面变化，观察结果如图2所示，根据图2可以看出对照组的聚酯纤维毡已变黄，而实验组的聚酯纤维毡颜色基本没有变化，说明对照组的聚酯纤维毡腐蚀十分严重，而实验组对聚酯纤维毡基本无腐蚀。该试验结果表明本发明的光催化纤维网在光催化过程中不对纤维网本身材质产生腐蚀。
由以上实施例可知，本发明以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光催化纤维网，由光催化复合纤维材料和框架组成；
所述光催化复合纤维材料由光催化涂料涂覆在复合纤维材料表面制备而成；所述光催化涂料包括光催化剂、溶胶和溶剂或包括分装的光催化剂分散液和溶胶溶液；
所述光催化剂为二氧化钛、二氧化钛-石墨烯复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳的复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物、二氧化钛-三氧化钨复合物、类石墨相氮化碳-三氧化钨复合物、类石墨相氮化碳-金属酞菁复合物、金属酞菁-三氧化钨复合物、二氧化钛-类石墨相氮化碳-三氧化钨的复合物、二氧化钛-金属酞菁-三氧化钨复合物中的一种或几种的混合物；
所述溶胶为硅溶胶和/或铝溶胶；
所述复合纤维材料包括聚酯网纱层和聚氨酯泡棉层。
2.根据权利要求1所述的光催化纤维网，其特征在于，所述溶胶的pH值为3～11；
所述溶胶的浓度为2～50wt％；
所述溶胶的粒径为1～100nm。
3.根据权利要求1或2所述的光催化纤维网，其特征在于，所述溶胶中还包括石墨烯；所述溶胶中石墨烯的含量为光催化剂质量的0.1～2％。
4.根据权利要求1所述的光催化纤维网，其特征在于，所述光催化涂料包括光催化剂、溶胶和溶剂时；所述光催化涂料中光催化剂的质量和溶剂的体积比为1～30g：1L；所述光催化涂料中溶胶的质量和溶剂的体积比为0.1～15g：1L；
所述光催化涂料包括分装的光催化剂分散液和溶胶溶液时；所述光催化剂分散液中光催化剂的质量和溶剂的体积比为1～30g：1L；所述溶胶溶液中溶胶的质量和溶剂的体积比为0.1～15g：1L。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的光催化纤维网，其特征在于，所述光催化剂在复合纤维材料表面的干膜负载量为0.1～12g/m2。
6.根据权利要求1所述的光催化纤维网，其特征在于，所述聚酯网纱层和聚氨酯泡棉层表面独立地还包括金属层；
所述金属层的材质为镍、铝和铜中的一种或几种。
7.权利要求1～6任意一项所述光催化纤维网的制备方法，包括以下步骤：
(1)所述光催化涂料包括光催化剂、溶胶和溶剂时，将光催化涂料喷涂于复合纤维材料表面，得到涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料；
或，所述光催化涂料包括分装的光催化剂分散液和溶胶溶液时，将光催化分散液和溶胶溶液分别喷涂于复合纤维材料表面，得到涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料；
(2)将所述涂覆有光催化涂料湿膜的复合纤维材料干燥，得到光催化复合纤维材料；
(3)将所述光催化复合纤维材料用边框进行加固，得到光催化纤维网。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述喷涂的流量独立为50～300ml/min；所述喷涂时喷头和复合纤维材料表面的直线距离独立为5～25cm。
9.权利要求1～6任意一项所述的光催化纤维网或权利要求7～8任意一项所述制备方法制备的光催化纤维网在光催化中的应用。
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