靜電紡絲技術在光催化材料中的應用

蘆 穎，秦湘閣

（佳木斯大學，黑龍江佳木斯154007）

0 引言

在過去的幾十年里，隨著能源需求的加大，工業化進程的加速，全球的環境問題也變得越來越嚴峻，水污染已經逐漸成為一個不可忽視的問題，尤其是工業廢水的排放，已經嚴重影響了生態環境，因此污水的處理已經成為社會關注的熱點問題。在各種處理污水的方法中，光催化技術因不會消耗過多的能源，且不會產生二次污染，被譽為綠色技術，是一種很有發展前景的方法，近幾年對光催化材料的研究開發越來越多，成果也非常顯著。

1 靜電紡絲技術概述

靜電紡絲技術是利用靜電場形成的靜電力，將黏稠的前驅液拉伸成納米纖維的技術，因此要求前驅液具有一定的導電能力和黏稠度。靜電紡絲使用的前驅液有2 種：一種是通過熔融而成的黏稠液體，需要不斷對熔融液體加熱，以保持其熔融狀態；另一種是通過化學制劑配置黏稠的溶液，而最常用的化學制劑為高分子聚合物，通過調配高分子聚合物的種類、濃度來獲得所需要的黏稠度。光催化劑的合成使用化學方法居多，因此常用高分子聚合物配制前驅液，所使用的高分子聚合物要求化學性質穩定，有良好的黏稠度，常用的高分子聚合物種類也很多，如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚丙烯腈（PAN）、聚乙烯醇（PVA）、乙酸纖維素（CA）等。

2 靜電紡絲技術在光催化材料中應用的新成果

2.1 TiO2光催化劑

TiO2是最先被開發出來的光催化材料，為了改善TiO2的光催化活性，提高光催化效率，出現了許多新成果。

為了提高TiO2對可見光的利用率，使TiO2的光譜響應頻率進入可見光區域是一條有效的途徑，貴金屬修飾方法可以調節TiO2的禁帶寬度，使譜響應頻率進入可見光區域。Liu等［1］使用靜電紡絲法獲得TiO2納米纖維，并使用濕化學沉積法制備了Ag2O/TiO2復合納米纖維，這種Ag2O/TiO2復合納米纖維形成了p-n型異質結，改變了TiO2的禁帶寬度，從而使光響應頻率進入可見光區域，以羅丹明B 為污染物模型，當Ag2O和TiO2的比例為40 wt%時，可以獲得最佳的光催化效果。g-C3N4是一種應用廣泛的聚合物半導體，Tang等［2］使用一步靜電紡絲法合成了g-C3N4/TiO2復合納米纖維，該纖維具有較大的比表面和較高的孔隙率，以羅丹明B 為污染物模型，與原始的TiO2納米纖相比，g-C3N4/TiO2復合纖維獲得了6.4 倍的降解率。由于g-C3N4的存在，形成了Z-scheme型異質結，獲得了一個狹窄帶隙能量，使光響應進入可見光區域。Liu等［3］設計了磁性納米纖維，使用磁鐵進行回收，在進行污水處理時可以避免二次污染。該方法使用Fe3O4雜化TiO2前驅液，進行靜電紡絲后煅燒，獲得Fe2O3/TiO2柔性復合纖維，該柔性復合纖維在隨后的光催化測試中展現出一個良好的光催化活性。

2.2 ZnO光催化劑

ZnO也是最早被發現的光催化劑之一，具有良好的光催化性能。Sabzehmeidani 等［4］用靜電紡絲的方法合成了NiO/ZnO 納米復合纖維，進一步提高了ZnO 的光催化活性。復合納米纖維的平均直徑為（150±50）nm，p 型NiO 和n 型ZnO 構成了p-n 型異質結，這種p-n 異質結與表面修飾不同，存在于NiO 立方結構和ZnO六方結構之中，促進ZnO光生電子的產生，煅燒溫度和Ni、Zn比例的變化會影響半導體的晶相，從而改變光催化活性。通過對NiO/ZnO進行基于Langmuir-Hinshelwood 模型的一級動力學模擬計算，進一步闡明了該復合纖維的光催化機制，模擬計算結果與實驗數據符合得很好。Lv 等［5］使用靜電紡絲法和熱交聯法合成了一種多功能ZnO@PVA/KGM 高分子纖維膜，該纖維膜以20 mg/L 質量濃度的甲基橙為污染物模型，在太陽光下120 min脫色率為98%，并且極易從水中取出。此外，這種纖維膜具有高效的空氣過濾性，對300 nm的超細顆粒濾出率為99.99%，高于商用HEPA 過濾網，同時由于光催化產生的活性成分，纖維膜還可以有效抑菌，屬于多功能材料。

2.3 MgO光催化劑

一般來說氧化物光催化劑都是半導體，MgO卻是一種高帶隙能的絕緣體，但是MgO 納米粒由于其自身的結構缺陷，也可以產生活性物質，從而起到光催化劑的作用。Mantilaka 等［6］使用PVA 作為高分子載體，采用靜電紡絲的方式合成了MgO納米纖維，并使用透射電鏡和原子力顯微鏡對晶格結構和表面粗糙度進行了分析，使用活性黃作為污染物模型，獲得了較好的光催化效果。

2.4 ZnFe2O4光催化劑

ZnFe2O4是一種光催化劑，它有1.9 eV 的窄帶隙，提供了更大范圍的可見光吸收，ZnFe2O4具有良好的磁性能，有利于光催化劑的回收。Bi2MoO6也是一種半導體，化學性質穩定、無毒，帶隙約為2.6 eV，光驅動性好，具有獨特的鈣鈦礦層狀結構，這有利于光生電子的產生和分離，也是良好的光催化劑。Zhao 等［7］使用靜電紡絲法和水熱法構建了Bi2MoO6/ZnFe2O4納米復合纖維，Bi2MoO6/ZnFe2O4形成異質結，在Bi2MoO6與ZnFe2O4的異質結接觸位置，由于電子和空穴的擴散作用，產生了一個內部電場，形成空間電荷區，使光生電子更容易傳輸，阻礙光生電子復合，在隨后的光催化測試中，Bi2MoO6/ZnFe2O4復合納米纖維優于Bi2MoO6、ZnFe2O4單獨存在的光催化活性。

2.5 MoS2光催化劑

MoS2屬于層狀過渡金屬硫化物，它具有特殊的三層夾心結構，六方晶系形成S 原子層夾著Mo 原子層（S-Mo-S），由共價鍵和范德瓦爾斯力相連接。同時，由于MoS2具有1.75 eV較窄帶隙，使得MoS2具有較好的帶隙特性，成為一種有發展潛力的光催化劑。Ren等［8］合成了使用靜電紡絲和水熱方法，設計出具有3D結構的納米棒CoFe2O4/花狀MoS2復合納米薄片，該納米薄片在可見光的照射下，對剛果紅降解速度是純MoS2的12倍，降解效率為94.9%，光催化降解甲基橙和亞甲基藍的能力也有所提高。這是由于納米棒CoFe2O4和花狀MoS2的協同作用，促進了光生電子的分離產生，阻止了光生電子-空穴對的還原復合。此外，CoFe2O4的磁性能也很好，保證其易于分離和回收。

3 結語

靜電紡絲是制備一維納米纖維常用的方法，通過調節溶液的黏稠度和靜電紡絲電壓，可以控制納米絲的形貌，很多高分子聚合物都可以成為靜電紡絲的載體，應用非常廣泛。但是，靜電紡絲的出絲率低，合成材料時間長，不適合大批量生產，已經成為該技術的瓶頸。目前已有科研人員嘗試對靜電紡絲設備進行改進，設計出多噴頭紡絲機。相信在未來，靜電紡絲技術會有更好的發展空間，為光催化劑的開發做出更大的貢獻。