馮海東

【摘要】實驗研究中采用硝酸鎘和硫代乙酰胺作為原材料，經實現由濃硝酸處理后的碳納米管（cNTs）表面形成了硫化鎘（Cds）納米顆粒，以上是制備Cds/CNTs光催化劑的大體流程。于可見光條件下比較分析了不同樣品的光催化性能。結果表明，Cds/CNTs樣品對甲基橙表現出較高的降解能力，提示在Cd_S/CNTs樣品內CHs持有分離電子—空穴對的功能。

【關鍵詞】碳納米管 硫化鎘 甲基橙 光催化性能

碳納米管又被稱之為巴基管，為一類具有特殊結構的一維量子材料，碳納米管層和層間距固定，約為0.34nm，內徑取值范圍為2～20nm。近些年，碳納米管在商品化生產領域中有較廣泛應用。很多國外學者對碳納米管表面負載硫化鎘（CdS/CNTs）的制備工藝與性能進行較深入研究，取得較好成果。本文主要探究CdS/CNTs光催化劑的制備工藝，分析其在光催化降解方面表現出的性能，以期對材料推廣過程有一定促進作用。

1、實驗過程

1.1 制備碳納米管

精確量取，1gNTs，將其兌入55mL濃硝酸內，以電磁形式予以攪拌，于120℃恒溫條件下持續(xù)加熱回流8h，而后冷卻、抽濾、洗滌，使濾液呈中性，放置于80℃干燥箱中干燥，經研磨處理獲得CNTs。

1.2 制備CdS/CNTs光催化劑

把經酸氧化處理后獲得的CNTs加至100mL 0.006mol/L Cd（NO₃）₂溶液內，超聲分散處理0.5h;磁力持續(xù)攪拌2h。把過量硫代乙酰胺滴進以上混合液內，繼續(xù)攪拌2h。待以上反應結束后靜置樣品，抽濾、洗滌、干燥后以備用。

1.3 降解實驗

將155ml 20mg/L甲基橙放置于燒杯內，整合CdS/CNTs粉末，于避光條件下靜置2h，擬化自然光照條件并開展光催化降解實驗。降解進行一段時間后量取適量混合液，離心處理后采用光度計檢測最大吸收波長位置對應的吸光度，測算脫色率，其代表著光催化效率。

依照Lambert-Beer定律，于較低的濃度范疇中，發(fā)現甲基橙濃度與吸光度兩者呈現出明顯的線性相關性，可采用如下公式測算溶液的脫色率：

脫色率（%）;D=100×（C₀-C）/C₀=100×（A₀-A）/A₀

在上式中，C₀、C、A₀、A依次達標初始濃度、經脫色處理后的濃度、初始吸光度及脫色以后的吸光度。

2、結果及分析

2.1 表面改性及CdS負載

處理碳納米管時采用化學氧化法進行，可把基（-COOH）、羰基（C=O）等多種官能團整合至碳納米管表面。發(fā)現經酸處理后的納米管的強吸收出現在波數3442cm^-1（-OH特征吸收峰）與1635cm^-1（C=O特征吸收峰）位置，伴隨酸處理時間的延長，吸收強度也相應增加;酸持續(xù)處理8h以后的納米管于1044cm^-1周邊形成了一個新鋒，對其形成原因分析后，發(fā)現與C=O鍵的振動之間存在一定相關性。和沒有歷經處理工序的碳納米管相比較，酸化處理以后的碳納米管含氧官能團明顯增加。

未經酸化處理的CNTs也吸附了一定Cd²⁺，但吸附量偏低，隸屬于物理吸附。經酸化處處理后的CNTs被整合至Cd（NO₃）₂：溶液內，CNTs表層含氧基團對Cd2+吸附過程能形成一定促進作用，表現出化學吸附的屬性。歷經2h的招瀕吸附過程大體上能構建}及咐平衡模式，這也意味著CNTs表層吸附了大量Cd²⁺。滴加硫代乙酞胺后，其能對外緩緩釋放出硫化氫氣體，和Cd2**生化學反應產出CdS固體物。若Cd（NO₃）₂溶液濃度偏低，則溶液內游離的Cd²⁺數目偏少，其會轉化為US顆粒分散于溶液內，誘導團聚現象的發(fā)生過程，或者以物理吸附形式匯聚于CNTs表層。但以上結合過程是機械化的，不會形成顯著的電子轉移情況。

2.2 CdS/CNTs的光催化特性

對圖1CdS/CNTs的光催化性能折線圖走勢進行分析，發(fā)現光催化試驗之間均已達到了避光吸附平衡狀態(tài)。CdS/CNTs制取條件為0.1g的CNTs，與之相對應的是100ml0.006mol/L Cd（NO₃）₂溶液，50mg CNTs內CdS含量<30mg。圖（c）下的降解效果顯著優(yōu)于圖（a）、（b）。圖（a）、（b）兩種情況下的光催化效率基本無顯著差異性，這提示CNTs自身不具有光催化作用，簡單混合CdS、CNTs后，CdS的光催化效果也未有顯著增強。這提示CNTs對CdS形成光催化效率，其自體特殊結構是影響催化效果的主要因素之一，CdS固體顆粒依附于CNTs表面生長，兩者間有明確界限，能傳導電子，進而降低光生空穴電子對的復合率，強化CdS的光催化活性。

CdS/CNTs的催化降解強化機制可結合圖2作出分析。CdS/CNTs內納米CdS固體顆粒和CNTs密切結合，且CNTs為電子的良導體，當納米CdS顆粒能在可見光作用形成電子—空穴對時，一些電子經CdS晶粒內部拓展至晶界，隨后擴展到CNTs基體，進而分離電子和空穴，而在樣品（a）、（b）內，因均無電子受體，或和CNTs基體結合部緊湊，光激發(fā)形成的電子不能順利拓展至CNTs基體，很多電子在逐漸擴散進程中重新和空穴復合，以致催化降解速率有所下降。

3、結束語

經濃硝酸處理后的碳納米管對Cd2+能起到良好的吸附效果，加入硫代乙酞胺溶液后能在CNTs表層原位生成CdS納米固體物，獲得CdS/CNTs復合光催化劑。在可見光照射條件下，CdS/CNTs對甲基橙能起到良好的光催化降解作用。CdS/CNTs內的CdS對CNTs的催化效果優(yōu)較明顯的強化作用。