釩氧化物納米帶的合成及其去除水中Cu2+離子的研究

段永勝 ，楊修春 ,2

(1.同濟大學 材料科學與工程學院，上海 201804；2.同濟大學 土木工程教育部重點實驗室，上海 201804)

0 引 言

隨著社會不斷進步和工業快速發展，重金屬廢水污染嚴重威脅到生活環境和生命健康。其中Cu2+廢水的處理方法主要有化學沉淀、離子交換、溶劑萃取、氧化還原、過濾和吸附法等[1]，吸附法具有易于操作、低能耗和低殘留等優點[2-3]。通常使用的吸附劑包括活性炭、殼聚糖、天然沸石、生物吸附劑等[4-5]。納米材料包括納米粒子[6]、納米復合材料[7]以及納米纖維材料等[8,9]作為一種新型的吸附劑，具有高比表面積、高孔隙率等優點，在重金屬廢水處理中的應用越來越多。近年來，國內外學者發現釩氧化物在電極材料[10]、光電[11]、智能窗[12]、氣敏傳感器[13-14]、磁性以及催化[15]等方面有著潛在的應用前景。V2O5是價態最高的釩氧化物，具有開放的層狀結構[16]和半導體特性[17]。當釩氧化物進入低維結構時，由于較大的比表面積和量子尺寸效應，可能產生許多的奇異的物理和化學現象。Li等[18]通過水熱處理V2O5和H2O2的水溶液，獲得寬度為100-300 nm，厚度為30-40 nm，長度達數十微米的V2O5納米線。目前對一維釩氧化物納米材料的制備主要利用水熱法和溶膠凝膠法，很少有通過電化學方法制備一維釩氧化物納米材料的報道，未見用釩氧化物納米材料吸附水中重金屬離子的報道。

本文以釩箔作為V源，水作為O源，采用電化學方法制備出了釩氧化物納米帶，其長度在0.5-3.0 μm之間，寬度在20-50 nm之間，對水中Cu2+具有很好的吸附能力，吸附率達到99.0%。

1 實 驗

1.1 材料制備

將釩箔剪切成2 cm × 2 cm的正方形(厚度為0.35 mm，純度為99.9%)，用1200目砂紙打磨釩箔表面，去除表面氧化層，然后用蒸餾水超聲清洗，晾干備用。將17.40 g NaCl、0.80 g KCl、2.90 g CaCl2·2H2O、4.89 g MgCl2·6H2O溶入1 L去離子水中，充分溶解，得到溶液A。取2 mL溶液A和1 mL HNO3混合，加去離子水稀釋，配置成60 mL電解液。用以上制備的釩箔作為陽極，鉑片作為陰極，加入電解液至淹沒釩箔和鉑片的2/3部分，連接上穩壓直流電源，調節電壓至3 V，開始陽極氧化。釩箔慢慢溶解，電解液的顏色從無色變成藍色。經過一段時間反應，電解液慢慢變成黑色的懸濁液。反應不斷進行，直至浸入電解液中的釩箔全部溶解，其陽極氧化過程如下：

陽極反應：

陰極反應：

電解液中反應：

通過離心分離電解液，得到沉淀物，將沉淀物進行多次水洗，60 ℃下烘干，得到最終產物B。

1.2 組成、結構和形貌的表征

采用X射線衍射儀(XRD，D/max 2550 VB3+ /PC型，λ=0.15406 nm)分析樣品的物相，利用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM，AH-800型，加速電壓為200 kV)觀察樣品的微觀形貌和結構，用綜合熱分析(TG/DSC，ZH1250型)分析樣品的脫水過程。

1.3 吸附Cu2+性能測試

稱量1.00 g的樣品B放入燒杯中，加入50 m L(5 0mg/L)硫酸銅溶液，吸附時間0-72 h，每隔一段時間取出1 mL溶液，加入0.04 mL銅試劑[(C2H5)2NCSSNa， 4.0 g/L]和適量氨水溶液(1 mol/L)，稀釋至50 mL 溶液C，pH值約為9.0。使用紫外-可見分光光度計對溶液C進行測試，掃描范圍300-800 nm，掃描速度10 nm/s。二乙基二硫代氨基甲酸根(C2H5)2NCSS-)與Cu2+通過兩個硫原子螯合，與Cu2+形成平面四方形的配合物，配合物在λ=452 nm處有吸收峰，利用吸光度計算溶液C中Cu2+濃度。

2 結果與討論

圖1為樣品B熱處理前后的XRD 圖譜。由圖1可以看出，樣品B未做熱處理時，樣品中含有結晶水，其組分是V2O5·1.6H2O和V5O12·6H2O；在300℃條件下空氣中熱處理3 h后，樣品中的結晶水脫去，同時釩氧化物中低價態釩發生了氧化反應，經過熱處理后完全生成V2O5。

圖2給出了樣品B的TG-DSC圖。由圖2可見，隨著溫度的升高，樣品B發生以下變化：在40-150 ℃(Ⅰ區)，重量從38.95 mg下降至18.89 mg，失重達52.61%(質量分數)，并出現了明顯的吸熱峰1，這是由于釩氧化物脫去物理吸附水的緣故；在150-265 ℃(Ⅱ區)，重量從18.89 mg下降至15.79 mg，繼續失重7.90%，釩氧化物失去層間結合水，出現吸熱峰2。根據結晶水的摩爾量可計算出V2O5·1.6H2O和V5O12·6H2O摩爾比為2.92 ∶ 1。當溫度高于265 ℃時，出現緩慢增重的現象，這是由于V5O12發生了氧化，生成V2O5的緣故。放熱峰3的存在，也證明是V5O12發生氧化反應放熱。

圖3為樣品B的TEM照片。將制備的樣品B粉末置于無水乙醇中，分別超聲分散15 min和3 h，制樣后利用高分辨透射電子顯微鏡觀察樣品的形貌特征和微觀結構。比較圖3(a,b)與(c,d)可以看出，經過長時間超聲作用，團聚的釩氧化物納米帶發生分散，納米帶的長度為0.5-3 μm，寬度在20-50 nm之間。

圖1 樣品B熱處理前后的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of sample B before and after thermal treatment

圖2 樣品B的TG-DSC曲線Fig.2 TG and DSC curves of sample B

圖4為樣品B的HRTEM照片。由圖4可以看出高分辨中可以觀察到晶格條紋，(c)中晶面間距為0.2134 nm、0.2107 nm，經與V2O5的PDF卡片比較得知，上述晶面為V2O5(0 2 0)晶面。V2O5·1.6H2O中層間插入了H2O分子，導致層間增大。(d)中晶面間距為0.2096 nm、0.3436 nm，與V5O12· 6H2O的PDF卡片比較得知，上述晶面為V5O12·6H2O(-16 0 2)、V5O12· 6H2O(-6 0 3)晶面。

圖3 釩氧化物納米帶的透射電鏡照片，(a,b)是超聲分散15 min，(c,d)是超聲分散3 hFig.3 Typical TEM images of vanadium oxide nanobelts: (a, b) ultrasonic dispersion for 15 min;(c, d) ultrasonic dispersion for 3 h

圖4 釩氧化物納米帶超聲分散3 h的高分辨透射電鏡照片Fig.4 Typical HRTEM images of vanadium oxide nanobelts with 3 h ultrasonic dispersion

圖5為釩氧化物納米帶吸附不同時間溶液C的紫外-可見吸收光譜。由圖5可以看出，所配制的Cu2+溶液在波長300-800 nm區間范圍會出現三個吸收峰。E峰是銅試劑產生； F峰是Cu2+與銅試劑形成絡合物的特征峰，吸收峰強度和絡合物濃度之間具有良好的線性關系[19]；G峰也是Cu2+與銅試劑形成絡合物產生，吸光度強度較低。根據圖5中λ=452 nm處吸收峰的吸光度，可以計算釩氧化物納米帶吸附不同時間后Cu2+溶液中Cu2+的含量，并計算釩氧化物納米帶的Cu2+吸附率Kt 隨時間t的變化：

Kt=(At-An)/(A0-An)，Kt對應t時刻的吸附率，At對應t時刻λ=452 nm處的吸光度，An對應無Cu2+溶液的λ=452 nm處的吸光度，A0對應0時刻λ=452 nm處的吸光度。

圖6為不同吸附時間紫外-可見吸收光譜中λ=452 nm處吸光度和對應的Cu2+吸附率。由圖6可知，所制備的釩氧化物納米帶對Cu2+有著很好的吸附效果，在浸泡1 h時，吸附率已經到達42.0%，隨后吸附速率下降，72小時吸附率達到了99.0%。

圖5 釩氧化物納米帶吸附時間對Cu2+溶液吸收光譜的影響Fig.5 In fl uence of the adsorption time of vanadium oxide nanobelts on the absorption spectra of Cu2+ solution

圖6 吸附時間對釩氧化物納米帶吸附Cu2+的影響Fig.6 The effect of the contact time on Cu2+ absorption

3 結 論

采用陽極氧化法，混合鹽和硝酸溶液作為電解液，釩箔作為陽極，制備出V2O5·1.6H2O、V5O12·6H2O兩種釩氧化物納米帶，長度為0.5-3.0 μm，寬度為20-50 nm；該氧化物納米帶對水中Cu2+有著很好的吸附效果，吸附率達到了99.0%。

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