无机柔性钛酸钡及铁酸铋纳米纤维膜的合成及其压电催化性能的研究

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随着人工智能和物联网的发展,人们对电子器件等设备有了更高的要求。轻便、可拉伸、透明等愈加成为新型电子设备的发展的方向。然而,面对现实的需求关于柔性功能材料的合成,仍存在一定的局限性有待解决,其局限性在于常见的有机或有机无机复合的柔性材料与功能陶瓷相比性能较差,而传统电子领域常用的钙钛矿功能性陶瓷,普遍不具有柔性,脆性高,刚性强,这是制约柔性电子器件发展的重要因素之一。因此,如何在柔性设备中应用进一步发挥钙钛矿氧化物的特性已成为新兴的研究热点。针对上述的柔性功能材料的发展面临的重大问题,我们选取工业生产上最为常用的压电陶瓷钛酸钡(BTO),以及典型的多铁钙钛矿材料铁酸铋(BFO)为研究对象,探索它们的柔性化方法。一方面我们以传统陶瓷的烧结工艺为基础,结合静电纺丝技术,通过将材料纤维化以及晶粒大小控制合成柔性无机钙钛矿纳米纤维膜,另一方面,我们将柔性BTO和BFO纤维膜与水体净化问题相结合,通过压电催化对BTO以及BFO的染料催化降解性能进行了研究。本论文的主要研究成果如下:(1)利用静电纺丝技术结合高温固相合成的方式制备无机柔性纤维膜。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为有机物骨架,利用电纺,将材料纤维化,通过烧结温度的控制,在去除PVP有机大分子骨架的同时,控制BTO材料的晶粒长大,获得光滑的纤维结构,最终可获得柔性无机BTO纳米纤维膜。通过XRD、SEM数据、材料宏观的柔性表现以及三点式柔性测试装置的测试结果,探索了纤维膜柔性与晶粒大小的关系,验证了纤维晶粒大小的控制是柔性纤维膜合成的关键这一理论。另外,我们将合成的柔性BTO用于压电催化领域,并通过Ca元素的掺杂进一步提高其压电催化性能,相关实验证明,Ca掺杂钛酸钡(BCTO)对刚果红染料具有良好的催化降解性能,7%-BCTO具有最好的催化降解效果,150 min后刚果红染料浓度仅为原来的4.48%。(2)根据柔性BTO材料合成的相关经验,采取同样的手段合成了BFO这种具有钙钛矿结构的多铁材料。通过SEM测试和改良的两点型柔性测试装置,利用晶粒直径分析,悬臂梁应力公式,结合实际宏观柔性状况,进一步验证了制备柔性纤维膜的关键是控制晶粒大小这一理论。实验发现较低温度(500℃)烧结的BFO具有最好的柔性,最大弯曲应变可达0.68%。另外,通过压电催化实验可以发现,BFO对于刚果红同样具有良好的压电催化性能,考虑到传统压电催化,往往依赖于超声提供机械能,严重限制的压电催化的实际应用,而自然界存在着丰富的自然界机械能,如风能、水能等,这些能量储量巨大,而又往往被忽视。因此,我们利用鱼缸循环水泵模拟水流下落,利用水流冲击纤维膜,进行压电催化。相关实验证明柔性BFO用于自然水流催化完全可行,可在5 h内催化80%以上的刚果红染料。
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