浸渍法制备Ag_2O_TiO_2纳米纤维及其光催化活性_图文

1、第39卷 增刊2 稀有金属材料与工程 V ol.39, Suppl.2 2010年 8月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING August 2010收稿日期:2010-03-01基金项目:国家自然科学基金(50872014; 长沙学院科研基金(SF030505作者简介:游 洋,女,1983年生,博士生,长沙学院生物工程与环境科学系,湖南 长沙 410003,电话:0731-*,E-mail:laodd ;通讯作者:张世英,教授,电话:0731-*,E-mail: cdzhangshiying浸渍法制备Ag 2O-TiO 2纳米纤维及其光催化活性游 洋1,2

2、,张世英1,2,万 隆2,许第发1(1. 长沙学院,湖南 长沙 410003 (2. 湖南大学,湖南 长沙 410082摘 要:采用浸渍法制备直径约20 nm ,长度达到微米级,且形态分布均匀的Ag 2O-TiO 2纳米纤维。以TEM 、XRD 、DRS 及XPS 手段对样品晶型结构、微观形貌以及化学组成进行表征,探讨掺杂对TiO 2纤维结构和性质的影响。结果表明:未掺杂纤维表面平滑,浸渍法制备的Ag 2O-TiO 2纤维表面有明显的球状颗粒存在,颗粒直径为25 nm ,分布均匀,且其XRD 谱出现Ag 2O 的衍射峰。与未掺杂样品相比,掺杂纤维的DRS 谱线发生蓝移,光催化降解亚甲基蓝实验表

3、明Ag 2O-TiO 2纤维光催化活性较高。关键词:Ag 2O-TiO 2;浸渍法;纳米纤维;光催化 中图法分类号:O643文献标识码:A 文章编号:1002-185X(2010S2-332-04TiO 2材料由于其化学稳定性好、成本低、无毒以及光催化活性高等独特的物理化学性能,在很多领域都有广泛的应用1-3。由于纳米TiO 2粉末能带带隙较宽(3.2 eV,只能被波长较短的紫外线激发,加之光激发产生的电子-空穴对存在复合的趋势,因而,纳米TiO 2对太阳光的利用率和光量子产率均较低。如何拓宽光催化剂的光谱响应,提高光催化量子效率及光催化反应速率仍是当前研究的重点4-6。对TiO 2纳米粉体掺

4、杂、贵金属沉积改性的研究7,8很多,并取得了很好的效果,但是对TiO 2纳米纤维的掺杂改性研究报道很少。本实验采用浸渍法合成Ag 2O-TiO 2纳米纤维,并对其结构和性质进行分析。1 实 验将0.5 g 水热法制备的未掺杂的纳米TiO 2纤维(按文献9制备加入10 mL 去离子水中,超声10 min 后加入5 mL 无水乙醇,调节pH 值至8.5,电磁搅拌30 min 后再加入2%(molar-ratioAgNO 3,并于50 水浴8 h 后用蒸馏水和无水乙醇洗涤。将洗涤后的溶液过滤,再60 下烘干,在450 进行煅烧即得到Ag 2O- TiO 2纤维。以TiO 2纳米纤维和Ag 2O-Ti

5、O 2纳米纤维为催化剂,在相同的光催化实验条件下(亚甲基蓝初始浓度3 mg/L ,紫外灯功率25 W ,催化剂浓度2 g/L ,通气速率3 L/min ,pH 值为6.0进行光催化降解试验,隔一定时间取样一次。所取样品经离心分离,取上清液测定吸光度。采用透射电子显微镜(TEM ,JEM-3010,日本对产物的形貌和晶格特征进行表征;用X 射线衍射仪(XRD ,Bruker D8-Advance, 德国对产物的晶型进行分析;用紫外分光光度计(UV-DRS ,2450型,日本和X 射线光电子能谱仪(XPS, AXIS Ultra 型,英国对产物的结构和化学组成进行分析。2 结果与讨论2.1 样品形

6、貌图1a 和1b 为Ag 2O-TiO 2纳米纤维的TEM 照片,图1c 和1d 为水热法制备的TiO 2纳米纤维的TEM 照片。从图中可以看出,掺杂纤维与未掺杂纤维的直径均约为20 nm ,长度达到微米级,且纤维形态分布均匀,掺杂纤维与未掺杂纤维尺寸基本一致,但表面形貌有明显差别,TiO 2纳米纤维表面平滑,没有出现颗粒状物质,而浸渍法制备的纤维表面有明显的球状颗粒存在,颗粒大小25 nm ,且颗粒分布均匀。说明浸渍法制备过程中,Ag 2O 沉积在纤维表面,生成球状颗粒。2.2 掺杂对样品结构和化学成分的影响图2为Ag 2O-TiO 2与TiO 2纳米纤维的XRD 图谱。可以看出,与水热法制

7、备的TiO 2纤维的XRD 衍射峰相比,浸渍法制备纤维的XRD 谱线在2=32.8º增刊2 游 洋等:浸渍法制备Ag 2O-TiO 2纳米纤维及其光催化活性 ·333· 图1 Ag 2O-TiO 2与TiO 2纳米纤维的TEM 照片Fig.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处出现Ag 2O 衍射峰,分别对应于Ag 2O 的(111和(311晶面,说明Ag 2O 成功地掺杂到了

8、纤维中。图3为水热法制备的TiO 2纳米纤维和浸渍法制备的Ag 2O-TiO 2纳米纤维表面Ti 2p 的XPS 谱。图中Ti 2p 能级分解为Ti 2p1/2和Ti 2p3/2两个能级。分峰说明Ti 存在两种价态,即Ti 3+和Ti 4+,但是分峰现象并不明显,即Ti 3+的相对含量较低。通过Gaussian-Lorentzian 分布解析得到,浸渍法制备纤维的Ti 2p 峰由E b (Ti 2p1/2=464.11 eV 和E b (Ti 2p3/2=458.40 eV 两个峰组成,水热法制备的纯TiO 2纳米纤维的Ti 2p 峰由E b (Ti 2p1/2=464.19 eV 和E b

9、(Ti 2p3/2=458.48 eV 两个峰组成,浸渍产物的电子结合能稍低。如图3c 所示,浸渍产物由主要Ti 、O 、C 、Ag 元素组成,没有K 元素存在,表明钛酸盐纤维中的K +离子已与H +全部发生了交换。其中Ag 的原子相对质量分数为2%,即Ag 2O 成功掺杂进了TiO 2纤维。图4为Ag 2O-TiO 2与TiO 2纳米纤维的DRS 图谱。如图所示,两种产物在200380 nm 之间的紫外光区域均有强的吸收带,与TiO 2纳米纤维谱线相比,Ag 2O-TiO 2纳米纤维的DRS 谱线在紫外区发生蓝移,说明样品能隙增大。半导体的氧化还原电位和能带位置,决定了其光催化反应的能力。半

10、导体禁带宽度E g 越大,则对应产生的光生电子和空穴的氧化-还原电极电势越高。因此,掺杂Ag 2O 后的纳米纤维具有更高的光氧化和光还原能力,另外,Ag 2O-TiO 2纳米纤维的DRS 谱在可见光区的吸收强度明显大于TiO 2纳米纤维谱线,即掺杂Ag 2O 后,由于产物从白色变为银灰色,增大了纤维在可见光区的吸收率。这与XPS 结图2 Ag 2O-TiO 2与TiO 2纳米纤维的XRD 图谱 Fig.2 XRD patterns of Ag 2O-TiO 2 and TiO 2 nanofibers图3 Ag 2O-TiO 2与TiO 2纳米纤维的XPS 图谱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· 稀有金属材料与工程 第39卷果一致,Ag 2O-TiO 2纳米纤维的结合能(457.72 eV 比TiO 2纳米纤维样品的结合能(457.41 eV 略大,即在光激发的过程中,更易于接受电子,从而会提高材料的光

14、学吸收性能。2.3 掺杂对样品光催化性能的影响亚甲基蓝(MB的光催化降解率与光催化时间的关系如图5所示,200 min 后,以浸渍法制备纳米纤维为催化剂的亚甲基蓝溶液基本脱色完全,为95%,图4 Ag 2O-TiO 2与TiO 2纳米纤维的DRS 图谱Fig.4 DRS spectra of Ag 2O-TiO 2 and TiO 2 nanofibers图5 不同催化剂对亚甲基蓝的降解Fig.5 Methylene blue solution photodegradation by differentcatalystsTiO 2纳米纤维对亚甲基蓝的降解率为93%。结合XRD 和XPS 分析可

15、知,浸渍法制备纤维中Ag 2O 沉积在纤维表面,Ag 2O 作为电子受体,捕获光生电子,降低电子-空穴对的复合几率,提高光催化活性,所以掺杂后纳米纤维的光催化活性高于未掺杂样品。3 结 论1 采用浸渍法制备出直径约为20 nm ,长度达到微米级,且纤维形态分布均匀的Ag 2O-TiO 2纳米纤维。2 纤维表面有直径25 nm 的球状Ag 2O 颗粒存在,其XRD 谱线在2=32.8º和65.4º处出现Ag 2O 衍射峰,证明Ag 2O 成功掺杂进纤维中。3 光催化试验结果表明Ag 2O-TiO 2纳米纤维比未掺杂样品具有更高的光催化活性。参考文献 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:浸渍法制备Ag2O-TiO2纳米纤维及其光催化活性·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