黃 鷺

(六盤水師范學院 化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004)

光催化技術作為一種高級氧化處理技術，可直接利用太陽光，制備條件溫和、氧化性強[1]。半導體納米材料具有特殊光電性質，其中，TiO2納米材料作為光催化劑的新穎性和功能性使其成為相關領域的研究熱點，并成為納米研究領域的重要組成部分[2-5]。本文通過微乳液法和模板法，合成了按一定規(guī)則均勻排列、高度有序且比表面積大的多級TiO2納米陣列材料。和普通結構的納米材料相比，多級納米陣列材料表現(xiàn)出更優(yōu)越的光學、磁學和光催化性能[6-7]。

1 實驗

1.1 多級TiO2納米顆粒聚集體的制備

采用微乳液法[8-9]，以十六烷基三甲基溴化銨(C19H42BrN，CTAB)作為表面活性劑、通過互不相溶的有機溶劑環(huán)己烷和硫酸鈦的相互作用，形成微乳體系，經離心干燥后，收集最終形成的納米TiO2粉體，即為粒徑小、純度高、穩(wěn)定性好的多級TiO2納米顆粒聚集體。

1.2 多級TiO2納米陣列的制備

將氧化鋁模板(AAO)的其中一面作為基底進行噴金處理，稱取第一階段實驗中制備的TiO2粉體10 mg分散在100 mL的乙醇溶液中，超聲振蕩30 min制備得到TiO2溶膠。

如圖1所示，將AAO模板沉積在TiO2溶膠中，讓TiO2在模板的孔洞中發(fā)生聚集，當AAO模板浸在TiO2溶膠中時，由于毛細管作用，TiO2納米顆粒會進入氧化鋁模板孔道中。用AAO模板制備得到的多級TiO2納米陣列比表面積大，具有較強的吸附作用， TiO2納米顆粒在AAO模板的孔道內聚積，沉積時間至12 h時，形成多級TiO2納米短棒陣列結構。

多級TiO2納米顆粒在AAO模板的孔洞中繼續(xù)聚集生長，待沉積時間延長至36 h時，形成尺寸更長、比表面積更大的多級TiO2納米陣列結構。

圖1 多級TiO2納米陣列的制備過程示意圖Fig.1 The preparation principle diagramof hierarchical TiO2 nanorod arrays

2 結果與討論

2.1 XRD分析

采用Shimadzu X射線衍射儀(X-ray diffraction，XRD-6000，Cu靶，Kα射線)表征其晶體形態(tài)。如圖2所示，衍射峰25.306°對應的是TiO2銳鈦礦相結構的(101)面(JCPDS No.21-1272)。

圖2 多級TiO2納米陣列XRD圖像Fig.2 The XRD images of hierarchical TiO2 nano-arrays (TiO2 HNAs)

2.2 EDX分析

圖3 多級TiO2納米陣列EDX圖像Fig.3 The EDX images of TiO2HNAs

采用電子散射能譜(Energy dispersive X-ray，EDX)數(shù)據(jù)取自掃描電鏡，如圖3所示，符合TiO2的元素含量分布。

2.3 SEM分析

圖4 多級TiO2納米陣列的SEM圖像Fig.4 The SEM images of hierarchical TiO2HNAs

采用S4800掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM, Hitachi)表征多級TiO2納米陣列的形貌，如圖4所示，。由于在模板中受限制生長，多級TiO2納米顆粒聚集體能夠聚集并復制氧化鋁模板納米孔的形貌和排布，形成了規(guī)則均勻、致密的納米陣列。

3 光催化性能研究

實驗采用YZ-GUX-A光催化反應儀(上海嚴征儀器有限公司)，將50 mg/L等量催化劑分別投入濃度為30 mg/L甲基橙模擬廢水中，在300 W紫外光源條件下進行光催化降解實驗并作對比分析，反應時間為50 min。實驗結果如圖5所示，相比于無規(guī)則排列的多級TiO2納米顆粒聚集體(TiO2NP)，多級TiO2納米陣列(TiO2HNAs for 36 h)20 min達到90%，30 min可達到95%，之后降解率一直保持穩(wěn)定在96%左右。實驗結果表明，多級TiO2納米陣列對甲基橙溶液有良好的降解效果。

圖5 不同形貌的TiO2納米材料對甲基橙去除率的影響Fig.5 Degradation rate of methyl orange solution with different morphology

4 結論

通過在AAO模板中組裝而成的多級TiO2納米陣列形貌新穎，排列均勻縝密、高度有序，為納米材料的組裝提供了新的思路和手段。多級TiO2納米陣列由納米顆粒作為基本結構單元，其表面和間隙能大量的吸附廢水中的有機污染物，光催化降解效率顯著提高，這一發(fā)現(xiàn)開闊了TiO2光催化劑的理論研究，也為光催化處理有機染料廢水的應用前景提供了更多的可能性。