陳興劍，彭淑靜，鄭陽陽，王珊珊

(遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧錦州 121001)

本文采用水熱合成法制備鐵摻雜二氧化鈦納米棒陣列，采用掃描電子顯微鏡（SEM）和X-射線衍射儀（XRD）等表征手段進(jìn)行表征，分析鐵含量對(duì)二氧化鈦納米棒陣列結(jié)構(gòu)和形貌的影響，并研究不同光照時(shí)間下二氧化鈦納米棒陣列對(duì)甲基橙的降解行為。

1　實(shí)驗(yàn)部分

量取30 mL蒸餾水置于燒杯中，逐漸往里加入30 mL濃鹽酸，并不斷攪拌，待混合均勻后，用干燥的移液管吸取1 mL鈦酸丁酯，逐滴加入燒杯中，并繼續(xù)攪拌30 min。分別用蒸餾水和無水乙醇洗凈導(dǎo)電玻璃，晾干，然后呈30°～45°傾斜放入反應(yīng)釜內(nèi)杯中，接著緩慢倒入上述混合液，蓋緊反應(yīng)釜后，放入干燥箱，180℃水熱反應(yīng)6 h。

采用日本HITACHI公司S-3000N型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察二氧化鈦納米棒陣列的形貌。采用日本理學(xué)公司D/max-RB型12 kW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀測(cè)定二氧化鈦納米棒陣列的結(jié)構(gòu)。采用自制的光催化反應(yīng)器作為光催化反應(yīng)裝置，通過光催化降解甲基橙（20 mg/L）來評(píng)價(jià)樣品的光催化性能。

2　結(jié)果與討論

2.1　鐵摻雜量對(duì)二氧化鈦納米棒陣列形貌的影響

為了研究鐵摻雜量對(duì)玻璃片基底上形成的TiO2納米棒陣列形貌的影響，配制了幾份水熱反應(yīng)前驅(qū)體溶液，其中鈦酸丁酯體積含量1.6%，改變鐵摻雜量（0%、3%、6%、9%、12%）于180℃的溫度下，水熱反應(yīng)6 h。圖1是制得的TiO2納米棒陣列的宏觀圖片?？梢钥闯?，未摻雜鐵時(shí)，玻璃片基底上非常潔凈透明，形成肉眼幾乎看不見的膜；當(dāng)鐵摻雜量為3%時(shí)，玻璃片基底上形成膜厚度比未摻雜鐵時(shí)有所增加；隨著鐵摻雜量的增加，基底上的膜厚度進(jìn)一步增加；當(dāng)鐵摻雜量為9%時(shí)，薄膜表面更為致密均勻，呈淺的乳白色；繼續(xù)增加鐵摻雜量，厚度有所減小，而且厚度不勻，薄膜顏色略微發(fā)黃[1]。

圖1　鐵摻雜TiO2納米棒陣列的宏觀圖

圖2是不同鐵摻雜量二氧化鈦納米棒陣列的SEM圖片?？梢钥闯觯磽诫s鐵時(shí)，生成的TiO2納米棒陣列顆粒較粗，顆粒尺寸大小不均勻；當(dāng)鐵摻雜量為3%時(shí)，生成了大量的TiO2納米棒陣列顆粒，但是有些TiO2納米棒聚集成簇，呈菊花形狀，顆粒之間出現(xiàn)空隙；當(dāng)鐵摻雜量為6%時(shí)，生成的菊花形狀TiO2納米棒比3%鐵時(shí)有所減少，而且顆粒尺寸大小和排列分布比前者稍均勻有序些；當(dāng)鐵摻雜量為9%時(shí)，菊花形狀TiO2納米棒消失，TiO2納米棒陣列顆粒分布均勻有序，顆粒尺寸大小均勻一致，顆粒尺寸變細(xì)，比表面積的增加有利于TiO2納米棒陣列光催化；當(dāng)鐵摻雜量為12%時(shí)，再次出現(xiàn)大量TiO2納米棒聚集成簇，形成菊花狀TiO2納米棒陣列，而且有的地方幾乎沒有納米棒出現(xiàn)，導(dǎo)致薄膜宏觀上顯示出厚度不勻。

圖2　鐵摻雜TiO2納米棒陣列的SEM圖

2.2　鐵摻雜量對(duì)二氧化鈦納米棒陣列結(jié)構(gòu)的影響

不同含量（0%、3%、6%、9%、12%）鐵摻雜二氧化鈦納米棒陣列的XRD結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，出現(xiàn)了氧化錫和金紅石相二氧化鈦的衍射峰。主要的特征峰分別為 36.27°，54.46°，63.00°，它們對(duì)應(yīng)的是金紅石相二氧化鈦在不同晶面的衍射峰。在諸多吸收峰中，（101）衍射峰明顯高于其他晶面的衍射峰，(220)次之，說明該二氧化鈦納米棒陣列具有一定取向性，即沿著（101）方向生長(zhǎng)。除此之外，還存在較弱的(002)吸收峰。當(dāng)鐵摻雜量為3%時(shí)，(101)衍射峰最高，寬度較窄；隨著鐵摻雜量的增加，(101)衍射峰的峰高降低，寬度變寬；當(dāng)鐵摻雜為9%時(shí)，(101)衍射峰的寬度最大，高度最小，強(qiáng)度較弱；當(dāng)鐵摻雜量超過9%時(shí)，(101)衍射峰高度較鐵摻雜量9%時(shí)有所增加，寬度變窄，不利于光催化，說明少量鐵的摻入影響產(chǎn)物的金紅石相的形成，F(xiàn)e3+有可能取代Ti4+的晶格位置或者進(jìn)入其晶格的間隙中[2]。

圖3　不同F(xiàn)e摻雜TiO2納米棒陣列的XRD圖

2.3　鐵摻雜二氧化鈦納米棒陣列的光催化性能

為了研究不同光照時(shí)間下(0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h)二氧化鈦納米棒陣列的光催化性能，將鐵摻雜量為9%，鈦酸丁酯含量1.6%，反應(yīng)時(shí)間為6 h條件下制備得到的TiO2納米棒樣品，放置在50 mL甲基橙溶液（20 mg/L）中，進(jìn)行光催化。甲基橙的降解率與光照時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。可以看出，甲基橙的降解率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，光照2h，降解率達(dá)到34.15%。超過2h后降解率變小。這是因?yàn)榉磻?yīng)開始時(shí)甲基橙降解少，隨著光照時(shí)間的增長(zhǎng)大量甲基橙降解，但反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，由于甲基橙降解生成的自由基等有足夠的時(shí)間和機(jī)會(huì)重新結(jié)合形成甲基橙或者形成吸光度比甲基橙較大的物質(zhì)，反而使降解率降低[3]。

圖4　不同光照時(shí)間下甲基橙溶液的降解率

3　結(jié)論

采用水熱反應(yīng)合成了鐵摻雜二氧化鈦納米棒陣列，鐵的加入有利于玻璃片基底上薄膜的生長(zhǎng)，當(dāng)鐵摻雜量為9%時(shí)，基底上的薄膜表面厚度均勻，呈淺的乳白色，TiO2納米棒陣列顆粒變細(xì)，分布均勻有序，比表面積的增加有利于TiO2納米棒陣列光催化。鐵摻雜后，（101）衍射峰高于其他晶面的衍射峰，二氧化鈦納米棒陣列具有一定取向性，更有利于光催化降解甲基橙，當(dāng)光照時(shí)間為2h時(shí)，甲基橙降解效率可達(dá)34.15%。

參考文獻(xiàn)：

[1]李玉祥,張梅,郭敏,等.TiO2納米棒陣列的水熱法制各及表征[J].稀有金屬材料與工程,2000,38(2):1060-1064.

[2]蘇碧桃,張彰,鄭堅(jiān),等.Fe3+摻雜的TiO2納米復(fù)合粒子的合成及表征[J].化學(xué)學(xué)報(bào),2002,60(11):1936-1940.

[3]馬啟新,劉偉,范乃英,等.Fe3+-TiO2/SiO2光催化降解甲基橙的研究[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào),2003,24:1093-l096.