TiO2納米纖維的制備及光催化性能研究

奚愛儒宏大研究院有限公司，北京　100176

TiO2納米纖維的制備及光催化性能研究

奚愛儒
宏大研究院有限公司，北京100176

TiO2是一種重要的無機化工產品，TiO2纖維被廣泛應用于抗菌保潔、凈化空氣、污染物降解等領域，由于其光催化效率高，化學性質穩定，使用過程不會產生毒害物質和二次污染，因此有著十分廣闊的應用前景。本文將對TiO2納米纖維的制備方法進行分析，并通過實驗對TiO2纖維的光催化性能進行研究。

TiO2納米纖維；光催化性能；制備方法

通常情況下TiO2纖維晶粒粒徑減小的同時，其光催化性能也相應的提高，且當TiO2纖維的光催化性能最佳時，其粒徑往往處于5nm到50nm之間。以往，業界采用鈦酸鹽晶須脫堿、水熱法、溶劑熱法等方法制備TiO2纖維，而采用這些方法難以制備出納米級的TiO2纖維。目前，業界制備TiO2纖維最普遍的方法是溶膠——凝膠法和靜電紡絲法。隨著TiO2納米纖維優秀的光催化性能逐漸被挖掘出來，其應用范圍日趨擴大，市場前景十分廣闊，積極研究TiO2納米纖維的制備技術，對于促進其應用領域的技術發展有著重要的意義。

1　TiO2納米纖維無紡布的制備

目前，在TiO2纖維的眾多制備方法中，最常見的包括靜電紡絲法和溶膠——凝膠法，現將兩者的原理與特點介紹如下。

1.1靜電紡絲法制備TiO2納米纖維

歷經十幾年的發展，基于高壓靜電場下導電流體產生高速噴射的原理，靜電紡絲作為一種能夠簡單、快捷地制備高質量的TiO2纖維的技術已經得到普遍認可和廣泛重視。靜電紡絲法制備TiO2纖維的基本原理如下：高壓靜電場下，聚合物溶液的電荷之間產生靜電斥力，靜電斥力大于液體表面張力時，導電液體從噴口高速噴出形成穩定的細流，噴射過程中，纖維保持一定電荷量并逐漸干燥變細，最終落在接收板上形成微納米級的TiO2纖維。

通過靜電紡絲法制備出來的TiO2纖維，具有較高的比表面積、表面活性，在力學性能、導電性能、吸附性能等方面均明顯優于傳統方法制備出來的TiO2纖維，除此之外，靜電紡絲法制備的TiO2纖維還具有良好的過濾性、粘合性、保溫性以及阻隔性等等，這使得靜電紡絲法制備的TiO2納米纖維應用范圍更廣。

靜電紡絲技術的日趨成熟，使得超細纖維的制備成為了可能，除了制備TiO2納米纖維之外，靜電紡絲技術還可應用于合成物、陶瓷、高分子聚合物的制備。靜電紡絲法的優勢不但在于能夠制備納米級的TiO2連續纖維，還在于能夠制備出多種纖維的 集合體，對各種維實現加強和優化。利用靜電紡絲技術，能夠制造多種集合體形式的纖維，進而制備出各種結合體形式，能夠進一步提高織物的機械性能，有助于擴大其應用范圍。

1.2溶膠—凝膠法制備TiO2納米纖維

溶膠—凝膠法是將金屬鹽或烷氧金屬等前驅體加水分解后縮聚形成溶膠，加熱去除溶劑，得到網狀氧化物凝膠的制備法。與鈦酸鹽晶須脫堿法、水熱法、溶劑熱法等制備方法相比，溶膠—凝膠法的制備更為方便，對材料的組分控制更加可行，且能夠制備出特定微觀結構的復合材料。

通過溶膠—凝膠法制備TiO2纖維，無需借助其他輔助溶液，通過這種方式制備出來的TiO2纖維具有極高的鈦含量。由于具備上述優勢，目前溶膠—凝膠法制備TiO2纖維已經能夠實現工業化生產，且目前該制備方法也是最具有工業化生產前景的TiO2連續纖維制備方法之一。

隨著靜電紡絲技術的日趨成熟，有學者將靜電紡絲技術與溶膠—凝膠法結合。2007年，Greiner等以PMMA和TiO2無水溶膠為前驅體，煅燒法去除PMMA，制備出摻雜碳的TiO2纖維；丁源維等制備出了具有高光催化性能的TiO2/PVA符合納米纖維。

綜上所述，靜電紡絲法制備TiO2纖維，是目前TiO2纖維眾多制備方法中最優越的一種，也是其中唯一能夠制造連續纖維的方法，且通過靜電紡絲技術，可以將TiO2纖維的直徑控制在納米級內，這對于提高TiO2纖維的光催化性能有著顯著的作用。因此目前靜電紡絲法制備TiO2纖維已經得到了學界的一致推崇，且技術日趨成熟，在業界得到了一定程度的推廣。但與此同時，靜電紡絲法制備TiO2纖維的工藝流程較為復雜，需要對制備過程中的各種技術參數，包括紡絲液的濃度、噴頭與收集裝置的距離、電場強度、空氣的溫濕度等進行嚴格控制，因此實施起來對設備性能與生產管理水平要求極高。

2　TiO2納米纖維的光催化性能分析

2.1TiO2納米纖維光催化性能檢測試驗

對TiO2納米纖維的光催化性能進行分析，可首先進行兩個實驗。

實驗一：對苯酚水溶液中吸光譜隨光照時間的變化情況進行測定，即將TiO2纖維置于苯酚水溶液中，對其紫外線吸收光譜進行測定，得到圖1所示的結果。

實驗二：將同質量不同平均直徑的兩種TiO2納米纖維分別置入濃度為0.4mg/L的兩種亞甲基藍溶液中進行催化檢測，以紫外線照射，每15min對樣品進行檢測，共照射90min。記錄檢測數據并繪制曲線。

2.2TiO2納米纖維光催化性能檢測結果

實驗一結果分析：如圖1所示，在整個吸收光譜范圍內，苯酚水溶液的吸收光度隨著時間的延長而逐漸降低。且當時間為2h時，苯酚水溶液的降解率已經高于85%，說明TiO2具有良好的光催化性能。

實驗二結果分析：通過每15min一次的檢測，發現經納米粒徑制備的TiO2纖維對亞甲基藍的分解率始終高于經前驅體制備的TiO2纖維對亞甲基藍的分解率，這說明經納米粒徑制備的TiO2纖維具有更高的光催化效率，究其原因，主要與經納米粒徑制備的TiO2纖維具有更小的平均直徑有關，平均直徑較小的情況下，同質量的纖維就具有更大的表面積，進而增大了光催化反應的面積，因此光催化效率隨之而提高。

3　總結

通過本文的研究主要可得到以下結論：1）以TiO2納米顆粒作為原材料，采用靜電紡絲技術制備TiO2納米纖維，工藝較簡單，以控制，效果理想，值得推廣應用。2）TiO2纖維具有良好的光催化性能，在質量相同，制備方法不同的情況下，平均直徑更小的TiO2纖維具備更大的光催化反應面積，因而光催化效率相對較高，而經納米粒徑制備TiO2纖維可降低TiO2纖維的平均直徑，對于提升其光催化性能有著顯著的效果。

TiO2纖維由于性能優越，用途廣泛，逐漸受到人們的重視，其制備技術也正處于不斷創新Yui發展的過程中，但目前仍有很大的研究空間，除此之外，由于靜電紡絲法制備TiO2納米纖維尚未得到全面普及，TiO2纖維制備的規模化產業應用還有很長的一段路要走。

［1］滕樂天，趙康，湯玉斐.靜電紡絲制備TiO2納米纖維的光催化性能［J］.硅酸鹽學報，2012，40（8）：1215-1219.

［2］高春濤，蔡以兵，王清清.TiO2納米纖維的制備及其對染料的光催化降解性能［J］.功能材料，2013，2（44）：240-248.

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1674-6708（2015）152-0109-01