CeO2納米纖維的制備及性能表征

袁丹妮等

【摘 要】采用靜電紡絲法制備了CeO2納米纖維，利用XRD、SEM對樣品的結構和形貌進行了表征。以甲基橙為目標降解物，研究了CeO2納米纖維在自然光作用下的催化降解性能，利用UV-Vis對吸光度變化進行了表征。結果表明煅燒溫度為500℃時，纖維形貌最好；CeO2納米纖維對甲基橙的催化降解作用優于工業用微米級CeO2粉末。

【關鍵詞】靜電紡絲；CeO2納米纖維；催化降解

0 引言

CeO2屬于典型的螢石型立方相氧化物，該結構中有許多立方體空隙，通常被稱為敞型結構。作為一種重要的功能型材料，由于其獨特的性質，CeO2被廣泛應用于氧化還原反應中，在機械、催化、電化學和光學等領域有著重要的應用價值[1-4]。

本文采用靜電紡絲技術制備了CeO2納米纖維，并采用XRD、SEM對纖維的結構及形貌進行了表征，采用甲基橙作為目標降解物，對CeO2纖維的催化性能進行了研究。

1 實驗

稱取適量硝酸鈰用去離子水溶解，攪拌直至完全溶解，另外稱取少量PVP（K-88）加入無水乙醇中，攪拌直至完全溶解，然后將兩種溶液混合，繼續攪拌至完全混合均勻，即得到均勻、透明且有一定粘度的前驅體溶液。將前驅體溶液放置到靜電紡絲儀器的注射器中，在注射器針頭和接收器分別加上電壓，調節電壓大小，即可在接收器的鋁箔上收集到復合纖維。將復合纖維置于馬弗爐中煅燒，分別在500℃、800℃、1000℃、1200℃保溫2h，最終得到淡黃色固態樣品。

將甲基橙用去離子水充分溶解得到甲基橙溶液，然后取100mL甲基橙溶液置于錐形瓶，將錐形瓶放入25℃的恒溫水浴中，攪拌下加入0.20g制得的CeO2納米纖維，分別在反應1h、3h、24h后測試溶液的吸光度值。另外稱取0.20g購買的工業用CeO2粉末作為CeO2納米纖維催化降解的對比實驗。

2 實驗結果與討論

2.1 SEM分析

圖1為復合纖維在不同溫度下煅燒所得的CeO2樣品的SEM照片。當煅燒溫度為500℃時，纖維分布好，表面光滑，且直徑很均勻（圖1（a））；當煅燒溫度為800℃時，纖維直徑也較為均勻（圖1（b））；但是當煅燒溫度達到1000℃時，雖然樣品仍能保持一維納米纖維結構，但纖維表面變得粗糙，且直徑不均勻（圖1（c））；當煅燒溫度升高到1200℃時，樣品的形貌發生了很大的變化，一維納米纖維結構幾乎完全消失，轉變成顆粒狀（圖1（d））。因此，在煅燒溫度為500℃時能得到形貌最好的CeO2納米纖維。

圖4為CeO2納米纖維催化作用下甲基橙溶液在不同催化劑作用下的紫外光譜圖。其中，（a）為初始甲基橙溶液的紫外光譜圖，（b）、（c）分別為CeO2納米纖維和工業用微米級CeO2顆粒降解后的甲基橙溶液的紫外光譜圖。由圖中可以看出，CeO2納米纖維和工業用微米級CeO2粉末對甲基橙溶液均有催化降解作用，但CeO2納米纖維的催化降解作用比工業用微米級CeO2粉末明顯很多。計算得出加CeO2納米纖維經過3h攪拌后降解率為48%，而加工業用微米級CeO2粉末經過3h攪拌后降解率為15%。

實驗表明，CeO2納米纖維的催化降解作用優于工業用微米級CeO2粉末。這是因為，當CeO2的粒徑減小到納米級時，表面原子迅速增加，光吸收效率提高，使光生載流子的濃度增大，而且CeO2納米纖維的比表面積非常大，甲基橙的吸附量增加，從而增大了降解反應的幾率。因此，CeO2納米纖維的催化活性遠大于微米級CeO2粉末，表現出優異的催化降解作用。

3 結論

本文采用靜電紡絲的方法成功制備了立方相多晶CeO2納米纖維，當煅燒溫度為500℃時，纖維形貌最好，表面光滑，且直徑很均勻。紫外光譜分析表明，靜電紡絲制備的CeO2納米纖維和工業用微米級CeO2粉末對甲基橙均有催化降解作用，CeO2納米纖維對甲基橙的催化降解作用優于工業用微米級CeO2粉末。

【參考文獻】

[1]Feng X D， Sayle D C， Wang Z L， et al. Converting ceria polyhedral nanoparticles into single-crystal nanospheres [J]. Science，2006，312（5779）：1504-1508.

[2]Guo Z T， Du F L， Li G C， et al. Synthesis and characterization of single-crystal Ce（OH）CO3 and CeO2 triangular microplates[J].Inorganic Chemistry，2006，45（10）：4167-4169.

[3]Steele B C H.Fuel-cell technology： Running on natural gas free[J].Nature， 1999，400（6745）：619-621.

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[責任編輯：劉展]