多級(jí)TiO2納米陣列的組裝及光催化降解性能研究

黃 鷺

(六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

光催化技術(shù)作為一種高級(jí)氧化處理技術(shù)，可直接利用太陽光，制備條件溫和、氧化性強(qiáng)[1]。半導(dǎo)體納米材料具有特殊光電性質(zhì)，其中，TiO2納米材料作為光催化劑的新穎性和功能性使其成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并成為納米研究領(lǐng)域的重要組成部分[2-5]。本文通過微乳液法和模板法，合成了按一定規(guī)則均勻排列、高度有序且比表面積大的多級(jí)TiO2納米陣列材料。和普通結(jié)構(gòu)的納米材料相比，多級(jí)納米陣列材料表現(xiàn)出更優(yōu)越的光學(xué)、磁學(xué)和光催化性能[6-7]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 多級(jí)TiO2納米顆粒聚集體的制備

采用微乳液法[8-9]，以十六烷基三甲基溴化銨(C19H42BrN，CTAB)作為表面活性劑、通過互不相溶的有機(jī)溶劑環(huán)己烷和硫酸鈦的相互作用，形成微乳體系，經(jīng)離心干燥后，收集最終形成的納米TiO2粉體，即為粒徑小、純度高、穩(wěn)定性好的多級(jí)TiO2納米顆粒聚集體。

1.2 多級(jí)TiO2納米陣列的制備

將氧化鋁模板(AAO)的其中一面作為基底進(jìn)行噴金處理，稱取第一階段實(shí)驗(yàn)中制備的TiO2粉體10 mg分散在100 mL的乙醇溶液中，超聲振蕩30 min制備得到TiO2溶膠。

如圖1所示，將AAO模板沉積在TiO2溶膠中，讓TiO2在模板的孔洞中發(fā)生聚集，當(dāng)AAO模板浸在TiO2溶膠中時(shí)，由于毛細(xì)管作用，TiO2納米顆粒會(huì)進(jìn)入氧化鋁模板孔道中。用AAO模板制備得到的多級(jí)TiO2納米陣列比表面積大，具有較強(qiáng)的吸附作用， TiO2納米顆粒在AAO模板的孔道內(nèi)聚積，沉積時(shí)間至12 h時(shí)，形成多級(jí)TiO2納米短棒陣列結(jié)構(gòu)。

多級(jí)TiO2納米顆粒在AAO模板的孔洞中繼續(xù)聚集生長(zhǎng)，待沉積時(shí)間延長(zhǎng)至36 h時(shí)，形成尺寸更長(zhǎng)、比表面積更大的多級(jí)TiO2納米陣列結(jié)構(gòu)。

圖1 多級(jí)TiO2納米陣列的制備過程示意圖Fig.1 The preparation principle diagramof hierarchical TiO2 nanorod arrays

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

采用Shimadzu X射線衍射儀(X-ray diffraction，XRD-6000，Cu靶，Kα射線)表征其晶體形態(tài)。如圖2所示，衍射峰25.306°對(duì)應(yīng)的是TiO2銳鈦礦相結(jié)構(gòu)的(101)面(JCPDS No.21-1272)。

圖2 多級(jí)TiO2納米陣列XRD圖像Fig.2 The XRD images of hierarchical TiO2 nano-arrays (TiO2 HNAs)

2.2 EDX分析

圖3 多級(jí)TiO2納米陣列EDX圖像Fig.3 The EDX images of TiO2HNAs

采用電子散射能譜(Energy dispersive X-ray，EDX)數(shù)據(jù)取自掃描電鏡，如圖3所示，符合TiO2的元素含量分布。

2.3 SEM分析

圖4 多級(jí)TiO2納米陣列的SEM圖像Fig.4 The SEM images of hierarchical TiO2HNAs

采用S4800掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM, Hitachi)表征多級(jí)TiO2納米陣列的形貌，如圖4所示，。由于在模板中受限制生長(zhǎng)，多級(jí)TiO2納米顆粒聚集體能夠聚集并復(fù)制氧化鋁模板納米孔的形貌和排布，形成了規(guī)則均勻、致密的納米陣列。

3 光催化性能研究

實(shí)驗(yàn)采用YZ-GUX-A光催化反應(yīng)儀(上海嚴(yán)征儀器有限公司)，將50 mg/L等量催化劑分別投入濃度為30 mg/L甲基橙模擬廢水中，在300 W紫外光源條件下進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)并作對(duì)比分析，反應(yīng)時(shí)間為50 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，相比于無規(guī)則排列的多級(jí)TiO2納米顆粒聚集體(TiO2NP)，多級(jí)TiO2納米陣列(TiO2HNAs for 36 h)20 min達(dá)到90%，30 min可達(dá)到95%，之后降解率一直保持穩(wěn)定在96%左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多級(jí)TiO2納米陣列對(duì)甲基橙溶液有良好的降解效果。

圖5 不同形貌的TiO2納米材料對(duì)甲基橙去除率的影響Fig.5 Degradation rate of methyl orange solution with different morphology

4 結(jié)論

通過在AAO模板中組裝而成的多級(jí)TiO2納米陣列形貌新穎，排列均勻縝密、高度有序，為納米材料的組裝提供了新的思路和手段。多級(jí)TiO2納米陣列由納米顆粒作為基本結(jié)構(gòu)單元，其表面和間隙能大量的吸附廢水中的有機(jī)污染物，光催化降解效率顯著提高，這一發(fā)現(xiàn)開闊了TiO2光催化劑的理論研究，也為光催化處理有機(jī)染料廢水的應(yīng)用前景提供了更多的可能性。