新型CdS/CNTs光催化材料的制備及性能分析

馮海東

【摘要】實(shí)驗(yàn)研究中采用硝酸鎘和硫代乙酰胺作為原材料，經(jīng)實(shí)現(xiàn)由濃硝酸處理后的碳納米管（cNTs）表面形成了硫化鎘（Cds）納米顆粒，以上是制備Cds/CNTs光催化劑的大體流程。于可見光條件下比較分析了不同樣品的光催化性能。結(jié)果表明，Cds/CNTs樣品對(duì)甲基橙表現(xiàn)出較高的降解能力，提示在Cd_S/CNTs樣品內(nèi)CHs持有分離電子—空穴對(duì)的功能。

【關(guān)鍵詞】碳納米管 硫化鎘 甲基橙 光催化性能

碳納米管又被稱之為巴基管，為一類具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，碳納米管層和層間距固定，約為0.34nm，內(nèi)徑取值范圍為2～20nm。近些年，碳納米管在商品化生產(chǎn)領(lǐng)域中有較廣泛應(yīng)用。很多國(guó)外學(xué)者對(duì)碳納米管表面負(fù)載硫化鎘（CdS/CNTs）的制備工藝與性能進(jìn)行較深入研究，取得較好成果。本文主要探究CdS/CNTs光催化劑的制備工藝，分析其在光催化降解方面表現(xiàn)出的性能，以期對(duì)材料推廣過程有一定促進(jìn)作用。

1、實(shí)驗(yàn)過程

1.1 制備碳納米管

精確量取，1gNTs，將其兌入55mL濃硝酸內(nèi)，以電磁形式予以攪拌，于120℃恒溫條件下持續(xù)加熱回流8h，而后冷卻、抽濾、洗滌，使濾液呈中性，放置于80℃干燥箱中干燥，經(jīng)研磨處理獲得CNTs。

1.2 制備CdS/CNTs光催化劑

把經(jīng)酸氧化處理后獲得的CNTs加至100mL 0.006mol/L Cd（NO₃）₂溶液內(nèi)，超聲分散處理0.5h;磁力持續(xù)攪拌2h。把過量硫代乙酰胺滴進(jìn)以上混合液內(nèi)，繼續(xù)攪拌2h。待以上反應(yīng)結(jié)束后靜置樣品，抽濾、洗滌、干燥后以備用。

1.3 降解實(shí)驗(yàn)

將155ml 20mg/L甲基橙放置于燒杯內(nèi)，整合CdS/CNTs粉末，于避光條件下靜置2h，擬化自然光照條件并開展光催化降解實(shí)驗(yàn)。降解進(jìn)行一段時(shí)間后量取適量混合液，離心處理后采用光度計(jì)檢測(cè)最大吸收波長(zhǎng)位置對(duì)應(yīng)的吸光度，測(cè)算脫色率，其代表著光催化效率。

依照Lambert-Beer定律，于較低的濃度范疇中，發(fā)現(xiàn)甲基橙濃度與吸光度兩者呈現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)性，可采用如下公式測(cè)算溶液的脫色率：

脫色率（%）;D=100×（C₀-C）/C₀=100×（A₀-A）/A₀

在上式中，C₀、C、A₀、A依次達(dá)標(biāo)初始濃度、經(jīng)脫色處理后的濃度、初始吸光度及脫色以后的吸光度。

2、結(jié)果及分析

2.1 表面改性及CdS負(fù)載

處理碳納米管時(shí)采用化學(xué)氧化法進(jìn)行，可把基（-COOH）、羰基（C=O）等多種官能團(tuán)整合至碳納米管表面。發(fā)現(xiàn)經(jīng)酸處理后的納米管的強(qiáng)吸收出現(xiàn)在波數(shù)3442cm^-1（-OH特征吸收峰）與1635cm^-1（C=O特征吸收峰）位置，伴隨酸處理時(shí)間的延長(zhǎng)，吸收強(qiáng)度也相應(yīng)增加;酸持續(xù)處理8h以后的納米管于1044cm^-1周邊形成了一個(gè)新鋒，對(duì)其形成原因分析后，發(fā)現(xiàn)與C=O鍵的振動(dòng)之間存在一定相關(guān)性。和沒有歷經(jīng)處理工序的碳納米管相比較，酸化處理以后的碳納米管含氧官能團(tuán)明顯增加。

未經(jīng)酸化處理的CNTs也吸附了一定Cd²⁺，但吸附量偏低，隸屬于物理吸附。經(jīng)酸化處處理后的CNTs被整合至Cd（NO₃）₂：溶液內(nèi)，CNTs表層含氧基團(tuán)對(duì)Cd2+吸附過程能形成一定促進(jìn)作用，表現(xiàn)出化學(xué)吸附的屬性。歷經(jīng)2h的招瀕吸附過程大體上能構(gòu)建}及咐平衡模式，這也意味著CNTs表層吸附了大量Cd²⁺。滴加硫代乙酞胺后，其能對(duì)外緩緩釋放出硫化氫氣體，和Cd2**生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)出CdS固體物。若Cd（NO₃）₂溶液濃度偏低，則溶液內(nèi)游離的Cd²⁺數(shù)目偏少，其會(huì)轉(zhuǎn)化為US顆粒分散于溶液內(nèi)，誘導(dǎo)團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生過程，或者以物理吸附形式匯聚于CNTs表層。但以上結(jié)合過程是機(jī)械化的，不會(huì)形成顯著的電子轉(zhuǎn)移情況。

2.2 CdS/CNTs的光催化特性

對(duì)圖1CdS/CNTs的光催化性能折線圖走勢(shì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)光催化試驗(yàn)之間均已達(dá)到了避光吸附平衡狀態(tài)。CdS/CNTs制取條件為0.1g的CNTs，與之相對(duì)應(yīng)的是100ml0.006mol/L Cd（NO₃）₂溶液，50mg CNTs內(nèi)CdS含量<30mg。圖（c）下的降解效果顯著優(yōu)于圖（a）、（b）。圖（a）、（b）兩種情況下的光催化效率基本無顯著差異性，這提示CNTs自身不具有光催化作用，簡(jiǎn)單混合CdS、CNTs后，CdS的光催化效果也未有顯著增強(qiáng)。這提示CNTs對(duì)CdS形成光催化效率，其自體特殊結(jié)構(gòu)是影響催化效果的主要因素之一，CdS固體顆粒依附于CNTs表面生長(zhǎng)，兩者間有明確界限，能傳導(dǎo)電子，進(jìn)而降低光生空穴電子對(duì)的復(fù)合率，強(qiáng)化CdS的光催化活性。

CdS/CNTs的催化降解強(qiáng)化機(jī)制可結(jié)合圖2作出分析。CdS/CNTs內(nèi)納米CdS固體顆粒和CNTs密切結(jié)合，且CNTs為電子的良導(dǎo)體，當(dāng)納米CdS顆粒能在可見光作用形成電子—空穴對(duì)時(shí)，一些電子經(jīng)CdS晶粒內(nèi)部拓展至晶界，隨后擴(kuò)展到CNTs基體，進(jìn)而分離電子和空穴，而在樣品（a）、（b）內(nèi)，因均無電子受體，或和CNTs基體結(jié)合部緊湊，光激發(fā)形成的電子不能順利拓展至CNTs基體，很多電子在逐漸擴(kuò)散進(jìn)程中重新和空穴復(fù)合，以致催化降解速率有所下降。

3、結(jié)束語

經(jīng)濃硝酸處理后的碳納米管對(duì)Cd2+能起到良好的吸附效果，加入硫代乙酞胺溶液后能在CNTs表層原位生成CdS納米固體物，獲得CdS/CNTs復(fù)合光催化劑。在可見光照射條件下，CdS/CNTs對(duì)甲基橙能起到良好的光催化降解作用。CdS/CNTs內(nèi)的CdS對(duì)CNTs的催化效果優(yōu)較明顯的強(qiáng)化作用。