余 榮

（西北大學(xué)現(xiàn)代學(xué)院，陜西西安 710130）

金負(fù)載二氧化鈦納米纖維膜來(lái)提高光催化性能

余 榮

（西北大學(xué)現(xiàn)代學(xué)院，陜西西安 710130）

通過(guò)水熱法制備二氧化鈦納米纖維薄膜，同時(shí)運(yùn)用微波輔助化學(xué)還原法將Au納米顆粒負(fù)載于TiO2NFF表面制得Au/TiO2NFF，并將其應(yīng)用于光催化降解亞甲基藍(lán)（MB）的實(shí)驗(yàn)。

金納米顆粒；納米纖維薄膜；光催化劑；等離子體

納米TiO2是一種重要的無(wú)機(jī)功能材料，制備和應(yīng)用技術(shù)的研究非常活躍。雖然TiO2具有高的光催化活性和良好的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，但TiO2的禁帶寬度較大，在光反應(yīng)中電子和空穴較易復(fù)合，從而抑制了TiO2的光催化性能。向納米管TiO2中摻雜金屬離子，能夠有效改變TiO2納米管的光催化效率。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 TiO2納米纖維膜的制備（TiO2NFF）

對(duì)金屬鈦進(jìn)行預(yù)處理，浸入丙酮30min后取出，然后用去離子水清洗，最后用組成為HF∶HNO3∶DI=1∶4∶5的混酸拋光10min，浸入無(wú)水乙醇中備用。

采用水熱法制備納米TiO2NFF∶配取NaOH溶液并加入25mL乙二醇，同時(shí)加入處理好的鈦片，在水熱合成反應(yīng)釜中進(jìn)行反應(yīng)，結(jié)束后進(jìn)行干燥，取出鈦片酸化，最后對(duì)樣品退火，得到TiO2NFF。

1.2 Au/TiO2納米片薄膜的制備

稱取一定量的氯金酸固體和聚乙烯吡咯烷酮（PVP K30），分別配制成溶液，在攪拌狀態(tài)下將兩種溶液混合，并將二氧化鈦納米片在微波反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)。結(jié)束后降溫至室溫，取出已負(fù)載Au納米顆粒的TiO2納米纖維薄膜樣片，用乙醇和去離子水多次洗滌，室溫下晾干，即得Au/TiO2NFF（本實(shí)驗(yàn)中氯金酸溶液濃度為X=0.2、0.4、0.6、0.8和1）。

1.3 光催化活性評(píng)價(jià)

利用亞甲基藍(lán)（MB）對(duì)樣品進(jìn)行光催化活性評(píng)價(jià)。將制得的樣品放入MB中，以300 W氙燈作為可見(jiàn)光光源，置于黑暗條件下攪拌，促進(jìn)催化劑表面吸附平衡，同時(shí)鼓入空氣。照射100min，根據(jù)該濃度MB在664nm處的吸光度特性，用分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 SEM測(cè)試結(jié)果

圖1（a）為純TiO2NFF的宏觀圖，TiO2NFF是由二氧化鈦納米纖維互相纏繞形成的具有堅(jiān)固表面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于改善TiO2的光散射。圖1（b）是放大2 000倍的微觀圖。研究發(fā)現(xiàn)，所制備的TiO2納米纖維薄膜結(jié)構(gòu)比TiO2粉狀結(jié)構(gòu)更容易回收，有利于催化劑的實(shí)際應(yīng)用。

圖1（c）所示為Au/TiO2NFF的SEM圖，Au納米顆粒均勻的分散在TiO2NFF上，未發(fā)生嚴(yán)重聚攏。圖1（d）為放大圖，可看出在Au納米顆粒負(fù)載在TiO2NFF，TiO2NFF的形態(tài)幾乎未發(fā)生改變，這表明實(shí)驗(yàn)借助PVP K30和DEG采用化學(xué)還原法將Au納米顆粒負(fù)載到TiO2NFF上是合理的。

圖1 純TiO2NFF SEM圖像（a）、純TiO2NFF SEM部分放大圖（b）、0.8 TiO2NFF SEM圖像（c）、0.8 TiO2NFF SEM部分放大圖（d）

2.2 紫外可見(jiàn)吸收光譜分析

圖2（a）可知，由于TiO2存在電子躍遷情況，使得樣品在390nm以下表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收范圍。因?yàn)闃悠返募{米纖維結(jié)構(gòu)，純TiO2NFF也顯示出可見(jiàn)光的吸收性能。Au/TiO2NFF由于540nm的Au納米粒子在TiO2基質(zhì)上發(fā)生等離子體共振而使得Au/TiO2NFF在可見(jiàn)光區(qū)域具有寬帶峰，同時(shí)也證明Au納米粒子存在于樣品中。整體表明，Au/TiO2NFF對(duì)可見(jiàn)光的吸收強(qiáng)度隨Au濃度的增加而增強(qiáng)。

由圖2（b）可知，在390 nm和520nm處有明顯的吸收，是因?yàn)锳u/TiO2NFF具有重疊捕獲光納米結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)的形成是因?yàn)榭梢?jiàn)光在照射進(jìn)入Au/TiO2NFF時(shí)有一小部分被TiO2NFF所吸收，還有一部分通過(guò)折射最終被金納米粒子所吸收，這一過(guò)程即為重疊光捕獲。重疊的光收集意味著金納米粒子與TiO2NFF之間有著強(qiáng)的相互作用。

2.3 光致發(fā)光光譜（PL）分析

圖3顯示出TiO2NFF光致發(fā)光光譜強(qiáng)度較大，在380nm左右出現(xiàn)峰值，而摻雜Au納米顆粒之后，Au/TiO2NFF光致發(fā)光光譜強(qiáng)度明顯降低。并且，光致發(fā)光光譜強(qiáng)度隨著Au納米粒子數(shù)量的增多而降低更明顯，這有可能是因?yàn)锳u納米顆粒摻雜在TiO2表面的數(shù)量增加。PL光譜的研究表明Au的負(fù)載不但有效抑制了光生電子與空穴的復(fù)合，同時(shí)提高載流子分離效率，導(dǎo)致TiO2光致發(fā)光光譜強(qiáng)度明顯降低。

2.4 樣品光催化活性分析

圖4（a）呈現(xiàn)的是在紫外光和可見(jiàn)光照射下（λ＞420 nm）100min后，光催化降解亞甲基藍(lán)（MB）的效率。由圖可知，所有Au/TiO2NFF的光催化活性都高于純TiO2NFF。在金納米顆粒沉積之前，純TiO2NFF對(duì)MB的降解性能較差，降解效率僅為19.11%。在金納米顆粒沉積之后，樣品的降解性能隨著金濃度的增長(zhǎng)，降解效率隨之提高。金納米顆粒含量越高，光吸收越多，組合電子和空穴的機(jī)會(huì)就越低，光催化活性就越高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明∶在紫外光和可見(jiàn)光的照射下，0.8的Au/TiO2NFF和1.0 Au/TiO2NFF是最活躍的樣品，其相對(duì)應(yīng)的降解效率分別為98.22%和98.10%，這是純TiO2NFF的5.14和5.13倍。

圖2 樣品的紫外-可見(jiàn)吸收光譜，其中金沉積前后的吸收光譜顏色相同（a）；在不同樣品中的金納米粒子的紫外-可見(jiàn)吸收光譜減去純TiO2的吸收所獲得的貢獻(xiàn)（b）

圖3 激發(fā)態(tài)下樣品在220 nm處的熒光發(fā)射光譜金前后的發(fā)射光譜在相同顏色的沉積

圖4（b）為Au/TiO2NFF使用可見(jiàn)光（λ ＞ 420 nm）照射的光催化降解效率圖。由圖可知，TiO2薄膜獨(dú)特的可見(jiàn)光捕獲納米結(jié)構(gòu)可以提高光敏華過(guò)程。通過(guò)研究，0.8的Au/TiO2NFF將活性提到最高，降解亞甲基藍(lán)的效率為41.29%，表明Au/TiO2NFF在可見(jiàn)光照射下發(fā)揮著重要作用。

圖4 光催化下紫外可見(jiàn)光圖（a）和100min可見(jiàn)光圖（b）照射后的光催化降解效率

3 結(jié)束語(yǔ)

采用水熱法和微波輔助化學(xué)還原法以及乙二醇輔助相結(jié)合的方法制備了Au/TiO2NFF。所制備出的樣品由于金納米粒子和TiO2NFF之間的LSPR效應(yīng)而表現(xiàn)出明顯的重疊光吸收。在紫外光和可見(jiàn)光照射下，超過(guò)0.8 TiO2NFF的光降解速度比純TiO2NFF的速度要快得多。對(duì)純TiO2NFF進(jìn)行改進(jìn)，使得金納米粒子負(fù)載在TiO2NFF上，提高了TiO2NFF膜狀納米結(jié)構(gòu)和催化性能。

[1] 陳小兵，成曉玲，余雙平，等.納米 TiO2薄膜制備技術(shù)研究進(jìn)展[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展，2004，5（2）∶23-29.

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Gold Supported Titanium Dioxide Nanofiber Membrane to Improve Photocatalytic Performance

Yu Rong

Au-TiO2NFF was prepared by hydrothermal method，and the Au nanoparticles were supported on the surface of TiO2NFF by microwave-assisted chemical reduction.The photocatalytic degradation of methylene blue（MB）was carried out.The

gold nanoparticles；nanofiber film；photocatalyst；plasma

TS195.5

B

1003-6490（2017）02-0054-02