徐萌川，王亞淼，楊毅,，焦巖，劉穎，顏學武

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活性炭纖維負載Pr3+:Y2SiO5/TiO2復合材料的制備與性能

徐萌川1，王亞淼1，楊毅1,2，焦巖2，劉穎1，顏學武1

（1南京理工大學環(huán)境與生物工程學院，江蘇南京 210094；2南京信息工程大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇省環(huán)境凈化材料工程技術(shù)研究中心，江蘇南京 210044）

為了提高納米TiO2對太陽光的利用率和實現(xiàn)光催化劑的回收再利用，采用溶膠-凝膠法將上轉(zhuǎn)換熒光材料與納米TiO2復合，通過負載于活性炭纖維（ACF）表面制備了Pr3+:Y2SiO5/TiO2/ACF復合材料。運用XRD、FT-IR、SEM、FS、UV-vis DRS等對材料的結(jié)構(gòu)及性能進行了綜合表征，并以亞甲基藍為模擬污染物評價復合材料的可見光催化活性，考察了材料制備過程中煅燒溫度、負載次數(shù)等制備條件對復合材料可見光下催化性能的影響。結(jié)果表明，在浸漬2次、800℃煅燒的制備條件下，復合材料中TiO2為銳鈦礦相（占34.1%）與金紅石相（占65.9%）的混合相，亞甲基藍（15 mg·L-1）12 h內(nèi)去除率高達93.8%，反應符合擬一級動力學，反應速率常數(shù)為0.2471 h-1，回收再生利用4次后去除率仍保持在75%以上。

上轉(zhuǎn)換；納米TiO2；復合材料；吸附；降解；再生

引 言

近年來TiO2廣泛應用于光催化、抗菌劑、太陽能電池和自清潔涂層等領(lǐng)域[1-4]，TiO2表面的污染物可以在光催化中被催化降解，因此它廣泛應用于水體和空氣的凈化[5-7]。TiO2由于禁帶寬度的限制，只能吸收紫外光，對可見光利用率很低（太陽光中紫外光部分少于5%[8]）。對TiO2進行改性處理，如貴金屬沉積、金屬離子摻雜、表面光敏化等，能在一定程度上提高TiO2對可見光的吸收率，但可見光激發(fā)產(chǎn)生的空穴氧化能力較低，對難降解污染物的氧化能力十分有限[9]。較為理想的手段是為TiO2提供高能量的紫外光。

上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在吸收長波長的紅外光、可見光后能釋放出短波長的紫外光，因此利用上轉(zhuǎn)換材料改性TiO2是可行的。利用上轉(zhuǎn)換材料摻雜TiO2制備的復合材料，對乙基紫和甲基橙的降解效果都遠高于TiO2[9-10]。

但是粉末狀的納米TiO2及其復合材料在水溶液中易于凝聚，難以分離和回收，不利于催化劑的再生利用。此外懸浮相顆?；ハ嗾趽豕饩€透射，降低光能的利用率。利用多孔性載體如活性炭類對光催化劑進行負載化，可有效解決催化劑的回收問題，同時載體的吸附性也能促進光催化劑吸附降解污染物[11-14]。活性炭纖維（ACF）具有孔徑結(jié)構(gòu)發(fā)達、吸附能力強和可回收再利用等特點，可做成纖維、布、氈、紙等形態(tài)，能夠開發(fā)出滿足應用的各種形狀的光催化反應器，適合作為TiO2復合材料的載體?，F(xiàn)有的關(guān)于TiO2的負載化報道與本研究結(jié)果匯總見表1。

表1 相關(guān)研究文獻匯總

本工作將上轉(zhuǎn)換材料與納米TiO2復合，以ACF為載體制備了負載型Pr3+:Y2SiO5/TiO2/ACF復合材料，該復合材料能夠發(fā)揮吸附-光催化協(xié)同作用，提高對亞甲基藍的去除效率。研究了材料制備過程中煅燒溫度及浸漬次數(shù)對材料性能的影響，并考察了材料的重復利用性能。

1 實驗部分

1.1 樣品的制備

1.1.1 ACF的預處理 先把ACF（南通森友炭纖維有限公司，SY-1000型，厚度為1mm，比表面積為900～1000m2·g-1）裁剪成2.0cm×5.0cm的小片，在去離子水中超聲去除ACF中的雜質(zhì)，再在質(zhì)量分數(shù)10%的氫氧化鈉溶液中浸泡1h，去離子水洗至中性，105℃恒溫干燥12h備用。

1.1.2 上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料Pr3+:Y2SiO5的制備 采用溶膠-凝膠法制備上轉(zhuǎn)換熒光粉[15]。取一定量的Y2O3，加入稀HNO3（1:1）配制Y(NO3)3，然后按計量比量取配比Pr(NO3)3與Y(NO3)3溶液，電爐加熱結(jié)晶，110℃烘箱干燥得白色無水硝酸鹽，加入無水乙醇和正硅酸乙酯使其完全溶解，再放入80℃水浴中形成凝膠，最后將凝膠烘干并研磨成粉，馬弗爐中900℃煅燒3h，得到摩爾分數(shù)1.0%的Pr3+:Y2SiO5（以下簡稱“PY熒光粉”）。

1.1.3 復合材料的制備 采用浸漬提拉法制備Pr3+:Y2SiO5/TiO2/ACF復合材料（簡稱PYTA復合材料）。取10ml鈦酸四丁酯，溶于20ml無水乙醇中，加入4 ml乙酸，磁力攪拌25min，再加入8ml無水乙醇和2ml去離子水的混合液，攪拌40min，得到TiO2溶膠前體；然后將PY熒光粉加入TiO2溶膠中（PY熒光粉與TiO2質(zhì)量比為9%），超聲30min，形成均勻混合溶膠；將ACF浸漬于上述混合溶膠中，30s后提出（保證每片ACF的浸漬時間和提拉速度相同），烘干，浸漬負載與烘干交替進行以實現(xiàn)多層負載；最后將烘干后的復合材料放入管式爐中，在氮氣保護下煅燒3h（升溫速率3℃·min-1），得到PYTA復合材料。

1.2 樣品的表征

X射線衍射儀，D8 ADVANCE型，德國Bruker公司；傅里葉變換紅外光譜儀，Nicolet IS-10型，美國賽默飛世爾公司；掃描電鏡，Quanta 250型，美國FEI公司；熒光光譜儀，F(xiàn)L3-TCSPC型，法國Jobin Yvon公司；紫外-可見分光光度計，EV 220型，美國賽默飛世爾公司。

1.3 可見光下降解亞甲基藍

以500 ml濃度為15mg·L-1的亞甲基藍溶液為待降解污染物，140W節(jié)能燈發(fā)出三基色光模擬可見光。反應容器為125mm×65mm型號的玻璃器皿，光源處于玻璃器皿的斜上方，每次實驗時保持光強度、距離和位置不變，裝置外面罩有遮陽布遮蔽外界光線干擾。實驗時將復合材料固定在塑料支架上，放進玻璃器皿中，磁力攪拌，以一定時間間隔取樣，利用紫外-可見分光光度計測定其665nm下吸光度，從而計算污染物去除率。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 樣品的晶體結(jié)構(gòu)（XRD）分析

圖1為各樣品的XRD譜圖。圖1曲線a是PY熒光粉的XRD譜圖，譜圖對應的PDF卡號為PDF#52-1810，制備的樣品主要成分為Y2SiO5。圖1曲線b為800℃處理后TiO2/ACF的XRD譜圖，在227.5°處衍射峰最強，TiO2/ACF中TiO2主要為金紅石相，對應的PDF卡號為#73-1765。由圖1曲線c可知，經(jīng)800℃高溫處理后PYTA復合材料同時出現(xiàn)了銳鈦礦相衍射峰（225.4°，37.8°，48.0°，對應PDF卡號為#84-1286）和金紅石相衍射峰（227.5°，36.1°，54.4°），說明PYTA中TiO2為金紅石相與銳鈦礦相的混合相。由于載體ACF的影響及TiO2的高強度衍射峰，圖1曲線c中PY熒光粉的特征衍射峰不太明顯。同時對比圖1曲線b和圖1曲線c，發(fā)現(xiàn)熒光粉的摻雜抑制了TiO2由銳鈦礦相向金紅石相的轉(zhuǎn)變。

圖1 樣品的XRD譜圖

a—Pr3+:Y2SiO5powder; b—TiO2/ACF calcinated at 800℃;c—PYTA composites calcinated at 800℃

圖2為PYTA經(jīng)不同溫度煅燒后的XRD譜圖。從400℃到700℃區(qū)間內(nèi)，所有材料的最強衍射峰均在225.4°處，所得TiO2主要為銳鈦礦，隨著溫度的升高，XRD衍射峰強度越來越強，TiO2結(jié)晶度越來越高；到800℃時，譜圖最強峰出現(xiàn)在227.5°處，此溫度下TiO2金紅石相占主體；到900℃時，銳鈦礦相衍射峰基本消失。

圖2 不同煅燒溫度下PYTA復合材料的XRD譜圖

TiO2中不同晶相所占比例由Spurr-Myers公 式[16]計算得到，TiO2平均晶粒粒徑通過Scherrer公式[12]估算，不同樣品的計算結(jié)果見表2。材料中TiO2晶粒粒徑隨煅燒溫度升高而增加，銳鈦礦相向金紅石相轉(zhuǎn)變溫度在700~800℃之間。

表2 不同煅燒溫度下PYTA的晶粒粒徑和晶相比例

2.2 樣品的紅外光譜分析

圖3為各樣品的紅外光譜圖（FT-IR）。在3421cm-1附近范圍內(nèi)吸收峰為OH伸縮振動峰，這是吸附水的伸縮振動引起的；在2363cm-1附近范圍內(nèi)為空氣中CO2的吸收峰；在1507cm-1附近為樣品表面吸附微量水的OH彎曲振動峰。PYTA和TiO2/ACF光譜中，在450～600cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)的吸收帶是TiO伸縮振動峰[17]；PYTA和PY熒光粉譜圖中，在492cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰是YO的鍵和振動帶，在800～1100cm-1范圍內(nèi)處有多個吸收峰，這些峰為SiOSi的非對稱拉伸振動吸收帶[18]，可以說明PY熒光粉很好地摻雜到了PYTA復合材料中。

圖3 樣品的紅外吸收光譜圖

2.3 樣品的形貌分析

圖4為不同樣品的SEM。圖4(a)為PY熒光粉的SEM，材料呈不規(guī)則團聚狀，顆粒尺寸在40～60 nm左右。圖4(b)為浸漬了2次純TiO2溶膠的ACF的SEM，可以看出TiO2在ACF上呈現(xiàn)出一層比較均勻的薄膜，負載在ACF上的TiO2具有較好的包裹性，但部分薄膜龜裂，這是由于樣品經(jīng)過煅燒，TiO2的薄膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而導致細塊狀TiO2的出現(xiàn)。圖4(c)和圖4(d)為浸漬了2次混合溶膠的PYTA復合材料的不同放大倍數(shù)SEM，可以看出復合材料比圖4(b)中的TiO2/ACF夾雜更多的大塊狀顆粒，此為被TiO2包覆的PY熒光粉顆粒，當可見光穿透TiO2包覆層后能被熒光粉吸收而發(fā)射出紫外光，從而直接被TiO2利用。圖4(e)為浸漬了4次溶膠后復合材料的SEM，相比圖4(d)，對ACF包覆更嚴實，催化劑負載量更多。圖4(f)為浸漬了2次的PYTA循環(huán)使用4次后的SEM，對比圖4(d)，發(fā)現(xiàn)ACF表面催化劑有所脫落。

圖4 不同樣品的掃描電鏡照片

2.4 樣品的熒光光譜分析

圖5為不同樣品的熒光光譜圖（FS）。上轉(zhuǎn)換PY熒光粉在波長為488nm可見光激發(fā)下發(fā)射出的熒光范圍在290～340nm之間，分別在312nm和320nm左右出現(xiàn)兩組峰，該可見-紫外的上轉(zhuǎn)換主要是由于光子的激發(fā)態(tài)吸收（ESA）所致[19-20]，同時還有伴隨著4f-5d軌道上輻射弛豫能量傳遞上轉(zhuǎn)換（ETU）過程[21]。圖中Pr3+:Y2SiO5/TiO2粉體（PYT復合粉體）和PYTA復合材料的熒光強度明顯低于上轉(zhuǎn)換PY熒光粉的強度，這是由于在復合粉體和復合材料中的熒光粉發(fā)出的紫外光被TiO2利用所致；同時PYTA的熒光強度稍高于PYT復合粉體的熒光強度，這可能是由于載體ACF自身強烈的吸光性能，提高了PYTA的吸光效率，激發(fā)熒光粉釋放出較多的紫外光。

圖5 樣品的熒光發(fā)射光譜

2.5 樣品的紫外-可見漫反射分析

圖6為各樣品的紫外-可見吸收光譜圖（UV-vis DRS）。PYTA和ACF在紫外-可見區(qū)具有很強的吸收性質(zhì)，這可能與ACF呈黑色、是很強的感光劑有關(guān)，這有利于上轉(zhuǎn)換PY熒光粉對可見光的吸收，釋放出更多的紫外光供TiO2利用。從圖6可以看出PY熒光粉在紫外-可見波段內(nèi)的吸收能力較高，為其實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光提供能量上的保證；PYT復合粉體的紫外-可見吸收能力較TiO2粉末有所提高，同時其特征吸收邊紅移，表明熒光粉的摻雜提高了TiO2的可見光吸收能力。

圖6 樣品的紫外-可見漫反射吸收光譜

2.6 樣品的煅燒溫度對光催化性能的影響

將浸漬2次混合溶膠的PYTA按照不同的溫度煅燒處理，考察煅燒溫度對復合材料性能的影響，實驗結(jié)果如圖7(a)所示。光照條件下TiO2/ACF性能最差，這是由于TiO2在ACF上近似形成一層薄膜，堵塞ACF的微孔，造成材料吸附能力下降；同時TiO2在可見光下光催化性能很差。而PYTA由于熒光粉的加入，提高了可見光反應活性。通過ACF與PYTA對亞甲基藍去除性能的對比，可以看到復合材料吸附-光催化的綜合效果優(yōu)于單純ACF吸附的效果。復合材料煅燒溫度從400℃升到800℃，12h內(nèi)亞甲基藍的去除率從53.8%升高到93.8%。而煅燒溫度升高到900℃，去除率降到89.9%。這是因為低溫熱處理下材料中TiO2由無定形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殇J鈦礦相的結(jié)晶度較低，光催化活性不強。隨著煅燒溫度的提高，材料中TiO2銳鈦礦相的含量及結(jié)晶度提高，催化活性提高。

圖7(b)為不同煅燒溫度的復合材料去除亞甲基藍的反應動力學特征。-ln(/0)與光照時間呈較好的線性關(guān)系，故復合材料對亞甲基藍的去除過程符合擬一級動力學。隨著復合材料煅燒溫度從400℃升到800℃，反應速率常數(shù)從0.0637h-1上升到0.2471h-1，到900℃時反應速率常數(shù)降為0.2069h-1，因此800℃煅燒的復合材料反應動力學常數(shù)最大，催化活性最佳。

圖7 煅燒溫度對亞甲基藍去除率的影響(a)及其反應動力學(b)

一般認為，銳鈦礦相TiO2催化能力較金紅石相TiO2高[22]。結(jié)合XRD數(shù)據(jù)分析，700℃煅燒的材料催化能力應該最強，而實驗結(jié)果卻是800℃煅燒的材料催化能力最強。這可能是因為此時TiO2為銳鈦礦相與金紅石相的混合相，混晶狀態(tài)下由于晶格缺陷較多，可以降低光生電子與空穴的復合速率，從而提高光催化能力。當溫度升高到900℃時，形成過多的金紅石相，降低了TiO2的光催化活性。

2.7 復合材料的浸漬次數(shù)對光催化性能的影響

將不同浸漬次數(shù)的PYTA在800℃下煅燒，并根據(jù)負載前后材料質(zhì)量差計算催化劑的負載率；在140W光照條件下反應12h，間接考察材料制備過程中催化劑的負載量對光催化活性的影響。

從圖8可知，隨著浸漬次數(shù)的增加，催化劑的負載率一直增加。浸漬2次后，去除率達到93.8%；此后去除率隨浸漬次數(shù)增加而下降，浸漬4次后去除率下降為54.4%。這是由于負載的催化劑量較少時產(chǎn)生的·OH量不足以使污染物充分降解，光催化活性較弱；但催化劑負載過多時，催化劑會堵塞ACF表面的微孔，降低復合材料的吸附能力。

圖8 浸漬次數(shù)對復合材料光催化活性的影響

2.8 復合材料再生利用性能

利用性能最佳的PYTA復合材料多次重復實驗，在每次降解12h后將復合材料放入馬弗爐中300℃煅燒3h，以去除其表面污染物及活化催化劑，實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 再生利用效果

由圖9可知，PYAT對亞甲基藍去除能力較ACF大為提高，這是由于PYAT吸附的亞甲基藍能被催化劑光降解。復合材料對亞甲基藍去除率隨使用次數(shù)增加依次有部分下降，使用4次后去除率仍保持在75%以上。PYTA重復使用過程中質(zhì)量變化不大，使用前復合材料3次稱重平均值為1.5537 g，使用4次后3次稱重平均值為1.4174 g，催化劑僅有8.8%流失，具有較好的牢固性。去除率的下降是由于隨使用次數(shù)增加PYTA對亞甲基藍的吸附能力相應降低，從而降低污染物的傳質(zhì)效率，進而降低光反應效率；另外TiO2在光催化降解時會由于吸附亞甲基藍或中間產(chǎn)物而覆蓋活性位點降低光催化活性，導致失活，以及在多次使用過程中催化劑脫落等造成的。

3 結(jié) 論

（1）采用溶膠-凝膠法和浸漬提拉法制備了基于活性炭纖維載體的PYTA復合材料，該復合材料能夠發(fā)揮吸附-光催化協(xié)同作用，提高對污染物的去除效率。

（2）通過XRD、SEM、FT-IR等手段對材料結(jié)構(gòu)進行表征，通過FS、UV-vis DRS等方法對材料進行光學性能測試，為材料可見光催化提供理論依據(jù)。

（3）當PYTA浸漬2次、800℃煅燒時，其中TiO2為銳鈦礦相（占34.1%）與金紅石相（占65.9%）的混合相，亞甲基藍去除率高達93.8%，反應符合擬一級動力學，反應速率常數(shù)為0.2471h-1。

（4）復合材料回收再生使用4次后去除率仍保持在75%以上，具有重復利用價值。

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Preparation and performance of Pr3+:Y2SiO5/TiO2composites deposited on activated carbon fiber

XU Mengchuan1, WANG Yamiao1, YANG Yi1,2, JIAO Yan2, LIU Ying1, YAN Xuewu1

(1School of Environmental and Biological Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China;2Jiangsu Engineering Technology Research Center of Environmental Cleaning Materials (CEM), School of Environmental Sciences and Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, Jiangsu, China)

In order to improve sunlight utilization as well as to recycle and reuse photocatalyst of titanium dioxide, Pr3+:Y2SiO5/TiO2/ACF composites were prepared by sol-gel technique of anchoring upconversion fluorescent material and nano-titanium dioxide on activated carbon fiber (ACF). Structures and properties of the Pr3+:Y2SiO5/TiO2/ACF composites were characterized by XRD, FT-IR, SEM, FS, and UV-vis DRS. Photocatalytic activity of the composites in the visible light region was evaluated with methylene blue solution as model pollutant and studied the effect of fabrication conditions such as calcination temperature and number of coating layers. The experimental results showed that TiO2in Pr3+:Y2SiO5/TiO2/ACF composite contained both anatase (34.1%) and rutile (65.9%) when prepared by double coating and 800℃calcination. This composite had the highest visible-light photocatalytic activity which degraded methylene blue (15 mg·L-1) high as 93.8% in 12h. The photodegradation followed pseudo first order kinetics with reaction rate constant is 0.2471 h-1. Pr3+:Y2SiO5/TiO2/ACF composite remained degradation rate above 75% after recycled and regenerated for use four times.

upconversion; nano-titanium dioxide; composites; adsorption; degradation; regeneration

2016-05-24.

Prof. YANG Yi, yyi301@126.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20160716

X 788

A

0438—1157（2016）11—4885—07

徐萌川（1992—），男，碩士研究生。

江蘇省環(huán)境凈化材料工程技術(shù)研究中心開放基金項目（KFK1504）；江蘇省產(chǎn)學研前瞻性聯(lián)合研究項目（BY2016004-02）；江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目(PAPD)。

2016-05-24收到初稿，2016-08-11收到修改稿。

聯(lián)系人：楊毅。

supported by the Open Foundation of China Jiangsu Engineering Technology Research Center of Environmental Cleaning Materials (KFK1504), the Industry-Academia-Research Joint Innovation Fund of Jiangsu Province (BY2016004-02) and the Project Funded by the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions.