浸漬法制備Ag_2O_TiO_2納米纖維及其光催化活性_圖文

1、第39卷 增刊2 稀有金屬材料與工程 V ol.39, Suppl.2 2010年 8月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING August 2010收稿日期:2010-03-01基金項目:國家自然科學(xué)基金(50872014; 長沙學(xué)院科研基金(SF030505作者簡介:游 洋,女,1983年生,博士生,長沙學(xué)院生物工程與環(huán)境科學(xué)系,湖南 長沙 410003,電話:0731-*,E-mail:laodd ;通訊作者:張世英,教授,電話:0731-*,E-mail: cdzhangshiying浸漬法制備Ag 2O-TiO 2納米纖維及其光催化活性游 洋1,2

2、,張世英1,2,萬 隆2,許第發(fā)1(1. 長沙學(xué)院,湖南 長沙 410003 (2. 湖南大學(xué),湖南 長沙 410082摘 要:采用浸漬法制備直徑約20 nm ,長度達(dá)到微米級,且形態(tài)分布均勻的Ag 2O-TiO 2納米纖維。以TEM 、XRD 、DRS 及XPS 手段對樣品晶型結(jié)構(gòu)、微觀形貌以及化學(xué)組成進(jìn)行表征,探討摻雜對TiO 2纖維結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。結(jié)果表明:未摻雜纖維表面平滑,浸漬法制備的Ag 2O-TiO 2纖維表面有明顯的球狀顆粒存在,顆粒直徑為25 nm ,分布均勻,且其XRD 譜出現(xiàn)Ag 2O 的衍射峰。與未摻雜樣品相比,摻雜纖維的DRS 譜線發(fā)生藍(lán)移,光催化降解亞甲基藍(lán)實(shí)驗(yàn)表

3、明Ag 2O-TiO 2纖維光催化活性較高。關(guān)鍵詞:Ag 2O-TiO 2;浸漬法;納米纖維;光催化 中圖法分類號:O643文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1002-185X(2010S2-332-04TiO 2材料由于其化學(xué)穩(wěn)定性好、成本低、無毒以及光催化活性高等獨(dú)特的物理化學(xué)性能,在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用1-3。由于納米TiO 2粉末能帶帶隙較寬(3.2 eV,只能被波長較短的紫外線激發(fā),加之光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對存在復(fù)合的趨勢,因而,納米TiO 2對太陽光的利用率和光量子產(chǎn)率均較低。如何拓寬光催化劑的光譜響應(yīng),提高光催化量子效率及光催化反應(yīng)速率仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn)4-6。對TiO 2納米粉體摻

4、雜、貴金屬沉積改性的研究7,8很多,并取得了很好的效果,但是對TiO 2納米纖維的摻雜改性研究報道很少。本實(shí)驗(yàn)采用浸漬法合成Ag 2O-TiO 2納米纖維,并對其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行分析。1 實(shí) 驗(yàn)將0.5 g 水熱法制備的未摻雜的納米TiO 2纖維(按文獻(xiàn)9制備加入10 mL 去離子水中,超聲10 min 后加入5 mL 無水乙醇,調(diào)節(jié)pH 值至8.5,電磁攪拌30 min 后再加入2%(molar-ratioAgNO 3,并于50 水浴8 h 后用蒸餾水和無水乙醇洗滌。將洗滌后的溶液過濾,再60 下烘干,在450 進(jìn)行煅燒即得到Ag 2O- TiO 2纖維。以TiO 2納米纖維和Ag 2O-Ti

5、O 2納米纖維為催化劑,在相同的光催化實(shí)驗(yàn)條件下(亞甲基藍(lán)初始濃度3 mg/L ,紫外燈功率25 W ,催化劑濃度2 g/L ,通氣速率3 L/min ,pH 值為6.0進(jìn)行光催化降解試驗(yàn),隔一定時間取樣一次。所取樣品經(jīng)離心分離,取上清液測定吸光度。采用透射電子顯微鏡(TEM ,JEM-3010,日本對產(chǎn)物的形貌和晶格特征進(jìn)行表征;用X 射線衍射儀(XRD ,Bruker D8-Advance, 德國對產(chǎn)物的晶型進(jìn)行分析;用紫外分光光度計(UV-DRS ,2450型,日本和X 射線光電子能譜儀(XPS, AXIS Ultra 型,英國對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進(jìn)行分析。2 結(jié)果與討論2.1 樣品形

6、貌圖1a 和1b 為Ag 2O-TiO 2納米纖維的TEM 照片,圖1c 和1d 為水熱法制備的TiO 2納米纖維的TEM 照片。從圖中可以看出,摻雜纖維與未摻雜纖維的直徑均約為20 nm ,長度達(dá)到微米級,且纖維形態(tài)分布均勻,摻雜纖維與未摻雜纖維尺寸基本一致,但表面形貌有明顯差別,TiO 2納米纖維表面平滑,沒有出現(xiàn)顆粒狀物質(zhì),而浸漬法制備的纖維表面有明顯的球狀顆粒存在,顆粒大小25 nm ,且顆粒分布均勻。說明浸漬法制備過程中,Ag 2O 沉積在纖維表面,生成球狀顆粒。2.2 摻雜對樣品結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的影響圖2為Ag 2O-TiO 2與TiO 2納米纖維的XRD 圖譜?？梢钥闯?與水熱法制

7、備的TiO 2纖維的XRD 衍射峰相比,浸漬法制備纖維的XRD 譜線在2=32.8º增刊2 游 洋等:浸漬法制備Ag 2O-TiO 2納米纖維及其光催化活性 ·333· 圖1 Ag 2O-TiO 2與TiO 2納米纖維的TEM 照片F(xiàn)ig.1 TEM images of Ag 2O-TiO 2 and TiO 2 nanofibers: (a, b Ag 2O-TiO 2 nanofibers; (c, d TiO 2 nanofibers和65.4º處出現(xiàn)Ag 2O 衍射峰,分別對應(yīng)于Ag 2O 的(111和(311晶面,說明Ag 2O 成功地?fù)诫s到了

8、纖維中。圖3為水熱法制備的TiO 2納米纖維和浸漬法制備的Ag 2O-TiO 2納米纖維表面Ti 2p 的XPS 譜。圖中Ti 2p 能級分解為Ti 2p1/2和Ti 2p3/2兩個能級。分峰說明Ti 存在兩種價態(tài),即Ti 3+和Ti 4+,但是分峰現(xiàn)象并不明顯,即Ti 3+的相對含量較低。通過Gaussian-Lorentzian 分布解析得到,浸漬法制備纖維的Ti 2p 峰由E b (Ti 2p1/2=464.11 eV 和E b (Ti 2p3/2=458.40 eV 兩個峰組成,水熱法制備的純TiO 2納米纖維的Ti 2p 峰由E b (Ti 2p1/2=464.19 eV 和E b

9、(Ti 2p3/2=458.48 eV 兩個峰組成,浸漬產(chǎn)物的電子結(jié)合能稍低。如圖3c 所示,浸漬產(chǎn)物由主要Ti 、O 、C 、Ag 元素組成,沒有K 元素存在,表明鈦酸鹽纖維中的K +離子已與H +全部發(fā)生了交換。其中Ag 的原子相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%,即Ag 2O 成功摻雜進(jìn)了TiO 2纖維。圖4為Ag 2O-TiO 2與TiO 2納米纖維的DRS 圖譜。如圖所示,兩種產(chǎn)物在200380 nm 之間的紫外光區(qū)域均有強(qiáng)的吸收帶,與TiO 2納米纖維譜線相比,Ag 2O-TiO 2納米纖維的DRS 譜線在紫外區(qū)發(fā)生藍(lán)移,說明樣品能隙增大。半導(dǎo)體的氧化還原電位和能帶位置,決定了其光催化反應(yīng)的能力。半

10、導(dǎo)體禁帶寬度E g 越大,則對應(yīng)產(chǎn)生的光生電子和空穴的氧化-還原電極電勢越高。因此,摻雜Ag 2O 后的納米纖維具有更高的光氧化和光還原能力,另外,Ag 2O-TiO 2納米纖維的DRS 譜在可見光區(qū)的吸收強(qiáng)度明顯大于TiO 2納米纖維譜線,即摻雜Ag 2O 后,由于產(chǎn)物從白色變?yōu)殂y灰色,增大了纖維在可見光區(qū)的吸收率。這與XPS 結(jié)圖2 Ag 2O-TiO 2與TiO 2納米纖維的XRD 圖譜 Fig.2 XRD patterns of Ag 2O-TiO 2 and TiO 2 nanofibers圖3 Ag 2O-TiO 2與TiO 2納米纖維的XPS 圖譜Fig.3 XPS spectr

11、a of Ag 2O-TiO 2 and TiO 2 nanofibers: (a Ti 2p spectrum of Ag 2O-TiO 2 nanofibers, (b Ti 2p spectrum of TiO 2 nanofibers,and (c XPS spectrum of Ag 2O-TiO 2 nanofibers10203040506070I n t e n s i t y /a .u .GG TiO 2 nanofibers Ag 2O-TiO 2 nanofibers AnataseGAg 2O 2 /(abcd470 466 462 458 454Binding En

12、ergy/eV40302010I n t e n s i t y /×103 c p sTi 2p1Ti 2p 3T i 2paName Pos. FWHM L.Sh. Area %AreaTi 2p 3 458.40 1.336 GL(30 49250.7 68.543 Ti 2p 1 464.11 2.104 GL(30 22665.3 31.457470 466 462 458 454Binding Energy/eV302010bName Pos.FWHM Area %AreaTi 2p 3458.48 1.11330157.966.73Ti 2p 1464.19 2.086

13、15078.933.27I n t e n s i t y /×103 c p s1000 800 600 400 200 0Binding Energy/eV3020100cC l sA g 3dT i 2p O l sT i 2sA g 3p O K L LT i L M MI n t e n s i t y /×104 c p s·334· 稀有金屬材料與工程 第39卷果一致,Ag 2O-TiO 2納米纖維的結(jié)合能(457.72 eV 比TiO 2納米纖維樣品的結(jié)合能(457.41 eV 略大,即在光激發(fā)的過程中,更易于接受電子,從而會提高材料的光

14、學(xué)吸收性能。2.3 摻雜對樣品光催化性能的影響亞甲基藍(lán)(MB的光催化降解率與光催化時間的關(guān)系如圖5所示,200 min 后,以浸漬法制備納米纖維為催化劑的亞甲基藍(lán)溶液基本脫色完全,為95%,圖4 Ag 2O-TiO 2與TiO 2納米纖維的DRS 圖譜Fig.4 DRS spectra of Ag 2O-TiO 2 and TiO 2 nanofibers圖5 不同催化劑對亞甲基藍(lán)的降解Fig.5 Methylene blue solution photodegradation by differentcatalystsTiO 2納米纖維對亞甲基藍(lán)的降解率為93%。結(jié)合XRD 和XPS 分析可

15、知,浸漬法制備纖維中Ag 2O 沉積在纖維表面,Ag 2O 作為電子受體,捕獲光生電子,降低電子-空穴對的復(fù)合幾率,提高光催化活性,所以摻雜后納米纖維的光催化活性高于未摻雜樣品。3 結(jié) 論1 采用浸漬法制備出直徑約為20 nm ,長度達(dá)到微米級,且纖維形態(tài)分布均勻的Ag 2O-TiO 2納米纖維。2 纖維表面有直徑25 nm 的球狀A(yù)g 2O 顆粒存在,其XRD 譜線在2=32.8º和65.4º處出現(xiàn)Ag 2O 衍射峰,證明Ag 2O 成功摻雜進(jìn)纖維中。3 光催化試驗(yàn)結(jié)果表明Ag 2O-TiO 2納米纖維比未摻雜樣品具有更高的光催化活性。參考文獻(xiàn) References1 V

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19、d Their Photocatalytic Activity of Ag 2O-TiO 2 Nanofibers by ImmersionMethodYou Yang 1,2, Zhang Shiying 1,2, Wan Long 2, Xu Difa 1(1. Changsha University, Changsha 410003, China (2. Hunan University, Changsha 410082, China2003004005006007000.00.40.81.21.6A b s o r b e n c eWave number/nmAg 2O-TiO 2

20、nanofibersTiO 2 nanofibers Photocatalytic Time/minM B R e m a i n s R a t e /%增刊2 游洋等:浸漬法制備Ag2O-TiO2納米纖維及其光催化活性·335·Abstract: Ag2O-TiO2 nanofiber was prepared by immersion method, whose length was about 1000 nm and whose diameter was about 20 nm. It was observed that the Ag2O-TiO2 nanofiber distributed uniformly. The Ag2O-TiO2 nanofibers were characterized by means of transmission electron microscope (TEM, X-ray diffraction (XRD, X-ray photoelectron spectrum (XPS and diffuse reflection spectra (DRS. The XRD patterns display the diffraction peak of Ag2O. Obviousl