浸漬法在織物上制備二氧化鈦光催化納米材料的實驗研究

吳清鑫 王澤偉 朱星宇 童 浩

（蘇州市職業(yè)大學 電子信息工程學院，江蘇 蘇州 215104）

隨著光催化技術的不斷發(fā)展，其應用的范圍也不斷擴大，滲透到日常生活中的各個方面，例如，在空氣凈化、污水處理、自清潔、殺菌防腐、太陽能制氫等領域有著廣泛的應用[1]。二氧化鈦由于化學性能穩(wěn)定、無毒、價廉、光催化性能好，是目前被研究最多、應用最為廣泛的催化劑[2]。二氧化鈦的光催化反應包含以下幾個過程：光生電子-空穴對的產生；載流子遷移到顆粒表面并被捕獲；自由載流子與被捕獲的載流子的重新結合；界面間電荷轉移，發(fā)生氧化還原反應[2]。

二氧化鈦可以涂覆在各種各樣的無機材料（如玻璃、瓷磚、不銹鋼等）和有機材料（如氯乙烯、聚丙烯、紙等）上制備出不同應用的光催化涂層。目前，光催化技術也在智能穿戴領域中得到了廣泛應用，例如，在織物上制備二氧化鈦光催化材料，可起到自清潔、除菌除臭、防霉的作用，可以做成具有凈化環(huán)境的光催化作用窗簾等。在織物制備二氧化鈦的光催化涂層的方法有很多，可以分成兩大類，分別是濕法工藝和干法工藝。濕法工藝主要工藝過程中有化學溶液參與，常用方法有溶膠-凝膠法[3-5]，水熱法[6-9]等，濕法工藝不需要昂貴的儀器設備，但是制備的薄膜附著力需要進一步提高，并且需要高溫燒結，限制其在織物上的應用。干法工藝指采用氣相沉積方法，主要有真空熱蒸發(fā)、濺射和化學氣相法（CVD）等[1,2,10,11]，這些方法雖然可以在低溫時在織物上制備催化性優(yōu)良的二氧化鈦納米材料，但需要條件高，設備昂貴。如何尋找既不需要昂貴的儀器設備，又能在低溫條件下在紡織物上制備二氧化鈦催化材料的工藝，是目前急需解決的問題之一。

為了能夠在織物上低溫制備附著力好的二氧化鈦催化材料，必須選用合適的黏合劑，通過篩選，選擇乙基纖維素( ethylcellulose，EC) 作為黏合劑是非常合適的，主要理由[12-14]是：（1）乙基纖維素是一種熱塑性、非離子型的纖維素烷基醚，呈白色或微黃色，涂覆在織物上不會改變織物的底色；（2）乙基纖維素的化學性能穩(wěn)定，具有無味、無嗅、無毒、無致敏性、無刺激性，不會對皮膚造成傷害；（3）乙基纖維素是一種典型的纖維素醚，與紡織品纖維有著相似的結構，可通過氫鍵等作用與紡織纖維作用，填充在紡織纖維網狀結構中，與紡織物結合特別牢固，并且能提高紡織物的機械性能；（4）乙基纖維素具有良好耐光性、耐酸堿性、耐鹽性和耐水性，以及有較高的機械強度和有較好的抗熱性、耐寒性能，可以在較大溫度范圍內有優(yōu)良的彈性，特別是在低溫下的彎曲性能極佳，涂覆乙基纖維素的織物耐磨，可以清洗。然后用松油醇作為高粘度溶劑，德國Degussa 公司生產的P25 二氧化鈦粉末作為填充料，在亞麻織物浸漬在二氧化鈦光催化電子漿料中，取出晾干后，在100℃溫度下燒結。在紫外光照下分解羅丹明B 染料溶液來表征在亞麻織物上制備的二氧化鈦納米材料光催化性能；并對比分析超聲清洗前后的光催化性能。

1 實驗過程

本實驗以松油醇和乙基纖維素作為有機粘合劑，采用納米二氧化鈦粉末作為光觸媒，制備出光催化電子漿料，把亞麻織物浸漬其中，經烘烤后把納米二氧化鈦光觸媒固化在亞麻紡織物上。在紫外線照射下，對羅丹明B染料溶液進行光催化降解來表征亞麻紡織物上納米二氧化鈦的光催化能力。具體如下：

1.1 樣品的制備

1.1.1 亞麻紡織面料的準備：把亞麻布料剪成10cm*10cm 方形布料，放在丙酮溶液中超聲30 分鐘，去除面料中的有機污染物，然后在無水乙醇溶液中超聲10分鐘去除丙酮，最后晾干備用。

1.1.2 乙酸溶液稀釋：采用默克集團Sigma-Aldrich公司AR 乙酸（CAS: 64-19-7）與去離子水按體積比1:100 配比，置于滴瓶中密封避光保存。

1.1.3 乙基纖維素黏合劑的配置：默克集團Sigma-Aldrich 公司乙基纖維素（CAS:9004-57-3），按照1 克加50 毫升無水乙醇比例，磁力攪拌30 分鐘后，置于滴瓶中密封保存以備用。

1.1.4 P25 二氧化鈦納米晶粒膠質體的制備：用分析天平稱出1g 德國Degussa 公司生產的P25 納米二氧化鈦粉末，在熱板上烘干去除多余濕氣；烘干后的P25 二氧化鈦粉末放進研缽，用研杵把因貯存而產生團聚現象的TiO2粉末均勻的研磨開來。然后加入1ml 經稀釋過的乙酸溶劑，研磨5 分鐘，再加入數滴乙酸溶液防止二氧化鈦粉末粒子之間相互聚集。然后加1 克默克集團Sigma-Aldrich 公司的松油醇作為高粘度溶劑，再繼續(xù)研磨，直至混合物形成質感滑順的膠質態(tài)浮物。把膠質態(tài)浮物加入配置好的乙基纖維素溶液，并磁力攪拌30 分鐘后可獲得粘稠狀的膠質混合物。制備的P25 二氧化鈦納米膠質體如圖1 所示。

圖1 制備P25 二氧化鈦納米膠質體

1.1.5 二氧化鈦光催化電子漿料的涂覆：采用浸漬法制備，先把清洗干凈的亞麻布料在二氧化鈦粉膠質混合物中浸泡1 分鐘，取出晾干，讓無水乙醇揮發(fā)，然后在通風柜中100℃熱板加熱烘干30 分鐘。

1.2 樣品的測試

把涂有二氧化鈦光催化劑的亞麻布剪成5cm*5cm 方形布料，如圖2 所示，放入光化學反應器中，浸泡在由去離子水配置而成的濃度為10mmol/L 羅丹明B 染料溶液中，配置好的羅丹明B 溶液（呈粉紅色）。先靜置2 個小時，讓亞麻布對羅丹明B 染料溶液達到飽和吸附，然后采用365nm 的LED 光源，輻照度為5mW/cm2@365nm。反應溫度恒定在27℃條件下進行光催化降解反應；反應過程中保持磁力攪拌，以便染料溶液濃度分布保持均勻；每隔半個小時從羅丹明B 染料溶液取出少許，用北京瑞利分析儀器公司的UV-1801 紫外/可見分光光度計測量染料的吸收光譜曲線，并取吸收曲線中的羅丹明B最大吸光度A，根據公式（A0-A）/A0*100%計算降解率，并對超聲波清洗前后的降解率進行對比。求得的降解率如表1 所示。

圖2 制備的5cm*5cm 亞麻布樣品

表1 根據公式計算得到的清洗前后的降解率

2 實驗結果與分析

圖3 是不同的紫外燈光照時間后羅丹明B 染料溶液的吸收光譜曲線，從圖3 可以看出，隨著光照時間的增加，在550nm 附近最大吸光度A 不斷下降，這說明隨紫外光的照射，羅丹明B 染料溶液不斷的降解而濃度不斷下降，從而說明采用浸漬法在織物上制備的二氧化鈦光催化納米材料具備光催化性能。

圖3 經不同時間光照后吸光度與波長的關系

圖4 是涂有二氧化鈦光催化劑的亞麻布超聲波清洗前后的降解率對比圖，從圖中可以看出，經過超聲波清洗10 分鐘后，其最大吸光度有所下降，但下降不大，這說明以松油醇和乙基纖維素作為有機粘合劑，采用浸漬法在亞麻布料制備二氧化鈦光催化納米材料具有較好的附著力，具有可以清洗性。

圖4 清洗前后降解率與時間的關系圖

3 結論

以松油醇為高粘度溶劑、乙基纖維素為黏合劑，利用浸漬法在亞麻織物上制備納米二氧化鈦光催化材料，在紫外光照射下能夠降解羅丹明B 染料溶液，具有光催化性能。實驗過程中所用的松油醇、乙基纖維素等材料都是無毒、價廉易得、對環(huán)境友好無污染；制備過程不需要精密昂貴的儀器設備，制備工藝、方便，并且與織物的印染工藝相兼容，制備的納米二氧化鈦光催化材料與織物附著力好，并具備可清洗性。采用浸漬法不僅可以在織物上制備納米二氧化鈦光催化材料，也可以應用在玻璃、陶瓷等其他基底上，同時不僅可以制備納米二氧化鈦光催化材料，而且可制備其他納米光催化材料，只要是納米光催化粉末材料都可以采用這種工藝制備。采用這種工藝制備的光催化材料還存在一些問題需要進一步研究和解決，比如，降解率還需進一步提高，工藝還需優(yōu)化等。