金負載二氧化鈦納米纖維膜來提高光催化性能

余 榮

（西北大學現代學院，陜西西安 710130）

金負載二氧化鈦納米纖維膜來提高光催化性能

余 榮

（西北大學現代學院，陜西西安 710130）

通過水熱法制備二氧化鈦納米纖維薄膜，同時運用微波輔助化學還原法將Au納米顆粒負載于TiO2NFF表面制得Au/TiO2NFF，并將其應用于光催化降解亞甲基藍（MB）的實驗。

金納米顆粒；納米纖維薄膜；光催化劑；等離子體

納米TiO2是一種重要的無機功能材料，制備和應用技術的研究非常活躍。雖然TiO2具有高的光催化活性和良好的耐腐蝕性等優(yōu)點，但TiO2的禁帶寬度較大，在光反應中電子和空穴較易復合，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 實驗過程

1.1 TiO2納米纖維膜的制備（TiO2NFF）

對金屬鈦進行預處理，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，同時加入處理好的鈦片，在水熱合成反應釜中進行反應，結束后進行干燥，取出鈦片酸化，最后對樣品退火，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器中進行反應。結束后降溫至室溫，取出已負載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（本實驗中氯金酸溶液濃度為X=0.2、0.4、0.6、0.8和1）。

1.3 光催化活性評價

利用亞甲基藍（MB）對樣品進行光催化活性評價。將制得的樣品放入MB中，以300 W氙燈作為可見光光源，置于黑暗條件下攪拌，促進催化劑表面吸附平衡，同時鼓入空氣。照射100min，根據該濃度MB在664nm處的吸光度特性，用分光光度計進行測量。

2 實驗結果與討論

2.1 SEM測試結果

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固表面的網狀結構，這種結構有利于改善TiO2的光散射。圖1（b）是放大2 000倍的微觀圖。研究發(fā)現，所制備的TiO2納米纖維薄膜結構比TiO2粉狀結構更容易回收，有利于催化劑的實際應用。

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)生嚴重聚攏。圖1（d）為放大圖，可看出在Au納米顆粒負載在TiO2NFF，TiO2NFF的形態(tài)幾乎未發(fā)生改變，這表明實驗借助PVP K30和DEG采用化學還原法將Au納米顆粒負載到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以下表現出較強的吸收范圍。因為樣品的納米纖維結構，純TiO2NFF也顯示出可見光的吸收性能。Au/TiO2NFF由于540nm的Au納米粒子在TiO2基質上發(fā)生等離子體共振而使得Au/TiO2NFF在可見光區(qū)域具有寬帶峰，同時也證明Au納米粒子存在于樣品中。整體表明，Au/TiO2NFF對可見光的吸收強度隨Au濃度的增加而增強。

由圖2（b）可知，在390 nm和520nm處有明顯的吸收，是因為Au/TiO2NFF具有重疊捕獲光納米結構。這一結構的形成是因為可見光在照射進入Au/TiO2NFF時有一小部分被TiO2NFF所吸收，還有一部分通過折射最終被金納米粒子所吸收，這一過程即為重疊光捕獲。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)光光譜強度較大，在380nm左右出現峰值，而摻雜Au納米顆粒之后，Au/TiO2NFF光致發(fā)光光譜強度明顯降低。并且，光致發(fā)光光譜強度隨著Au納米粒子數量的增多而降低更明顯，這有可能是因為Au納米顆粒摻雜在TiO2表面的數量增加。PL光譜的研究表明Au的負載不但有效抑制了光生電子與空穴的復合，同時提高載流子分離效率，導致TiO2光致發(fā)光光譜強度明顯降低。

2.4 樣品光催化活性分析

圖4（a）呈現的是在紫外光和可見光照射下（λ＞420 nm）100min后，光催化降解亞甲基藍（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，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會就越低，光催化活性就越高。實驗結果表明∶在紫外光和可見光的照射下，0.8的Au/TiO2NFF和1.0 Au/TiO2NFF是最活躍的樣品，其相對應的降解效率分別為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-可見吸收光譜減去純TiO2的吸收所獲得的貢獻（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使用可見光（λ ＞ 420 nm）照射的光催化降解效率圖。由圖可知，TiO2薄膜獨特的可見光捕獲納米結構可以提高光敏華過程。通過研究，0.8的Au/TiO2NFF將活性提到最高，降解亞甲基藍的效率為41.29%，表明Au/TiO2NFF在可見光照射下發(fā)揮著重要作用。

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

3 結束語

采用水熱法和微波輔助化學還原法以及乙二醇輔助相結合的方法制備了Au/TiO2NFF。所制備出的樣品由于金納米粒子和TiO2NFF之間的LSPR效應而表現出明顯的重疊光吸收。在紫外光和可見光照射下，超過0.8 TiO2NFF的光降解速度比純TiO2NFF的速度要快得多。對純TiO2NFF進行改進，使得金納米粒子負載在TiO2NFF上，提高了TiO2NFF膜狀納米結構和催化性能。

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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