论文无忧 | 论文发表 | 手机版 | 二维码

《分子科学学报》杂志
本刊往期
您当前的位置:首页 杂志文章 ZnO纳米纷纷的静电纺丝及其光催化性能的研究
ZnO纳米纷纷的静电纺丝及其光催化性能的研究_杂志文章
ZnO纳米纷纷的静电纺丝及其光催化性能的研究
发布时间:2018-01-21浏览次数:161返回列表

[摘 要] 以聚乙烯醇溶液为络合剂与醋酸锌反应制得前驱体溶液,采用静电纺丝法制备PVA/Zri( Ac)2复合纳米纤维,经过高温煅烧得到直径为100 nm的Zn0纳米纤维,采用差热一热重分析、红外光谱分析、X射线粉末衍射分析及扫描电镜等手段对其进行了表征.光催化降解酸性品红溶液的实验结果表明,太阳光照65 min使质量浓度为45 mg/L酸性品红水溶液的脱色率达93%;另外,重复使用Zn0纳米纤维4次之后,其光催化降解率仍能达到70%以上.这充分说明Zn0纳米纤维具有良好的光催化性能.

Zn0纳米材料具有许多优异性能,如小尺寸效应、表面和界面效应及量子尺寸效应等,在生物工程、涂料、汽车工业、光催化等众多领域皆有广泛的应用前景,被誉为面向21世纪的现代功能材料.目前对纳米Zn0的研究多集中于Zn0的纳米微粒和纳米薄膜,关于Zn0纳米纤维的文献较少,而因其具有极大的比表面积,将有更广泛的应用,静电纺丝是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得微纳米级纤维的纺丝方法[10-12].静电纺丝法可以说是能够制备长尺寸的、直径分布均匀的、成分多样化的纳米纤维的最简单的方法,因此激起了人们的广泛兴趣[13].文献[14-16]用PVP乙醇溶液或PVA的水溶液与醋酸锌络合制备Zn0纳米纤维.

本文以PVA为基体、甲酸为溶剂与醋酸锌络合,用静电纺丝法制备Zn0纳米纤维,由于PVA的O-H基团比PVP中N-H基团更易与Zn结合,而且PVA的价格更便宜,同时甲酸的挥发性比水大,能减少电纺过程中的纤维粘连现象,以制得的Zn0纳米纤维作为光催化剂,对酸性品红溶液进行光催化降解,考察了Zn0纳米纤维的光降解效率以及Zn0纳米纤维的重复使用对光催化降解率的影响.1实验部分1.1试剂及仪器

聚乙烯醇( PVA)、甲酸、醋酸锌[Zri(Ac)2-2H20]均为分析纯试剂.

Xpert Pro粉末衍射仪,Philips公司;红外光谱分析仪670型Fr-IR,Nicolate公司;差热.热重(TG-DTA)分析仪,NETZSCH STA 449C,德国耐弛公司;扫描电子显微镜KYKY-IOOOB,中国科学仪器厂;721W可见分光光度计,上海光学仪器厂.12电纺法制备Zn0纳米纤维

称取一定量的Zri(Ac)2-2H20溶解于甲酸中,再加入适量的PVA,在室温下磁力搅拌4h,制得PVA/Zn( Ac)2前驱体溶液.把前驱体溶液装入注射器中,将该注射器安置在微量注射泵上,调节喷丝头到接收板的间距及电压,按图1所示装置纺丝.利用微量注射泵的推力把纺丝液从注射器的针头挤出,在针头形成Taylor锥体,在高压电场下进行纺丝,电纺制得的PVA/Zn( Ac)2复合纳米纤维无规则地收集在铝箔纸上,形成纳米纤维膜,将制得的纳米纤维膜取下,放人马弗炉中,以50℃/h的速率升温,于600℃下煅烧3h,得到分布均匀的Zn0纳米纤维.1.3光催化性能测试

配置质量浓度为45 mg/L的酸性品红溶液.取2个烧杯,各加入100 mL酸性品红溶液,往l号烧杯中加50 mg Zn0纳米纤维,2号烧杯不加任何催化剂进行空白实验,将2个烧杯置于太阳光下,搅拌,每隔5 min取样,以l cm石英皿为样品槽,水为参比,采用721W可见分光光度计对样品在360~800 nm区进行测定,选取最大吸收波长542 nm处,测定酸性品红溶液吸光度的变化,同时还考察了Zn0纳米纤维重复使用对光催化性能的影响.反应2h后,静置,滤去1号烧杯的溶液,加入相同浓度相同体积的酸性品红溶液,重复光催化降解实验,直至酸性品红溶液的色度不能显著去除为止.1.4分析方法

采用色度分析法,即通过检测酸性品红溶液在反应前后的色度来分析试验的处理效果.

酸性品红溶液对可见光有一定的吸收,可以使用分光光度计测量其吸光度来计算它的降解率.根据比色原理,溶液中的某种物质的颜色的强度与其物质的量成一定比例.根据下式计算酸性品红溶液的脱色率

酸性品红溶液的脱色率= (Ao -A1)/Ao×1000-/0.式中:Ao和A1分别为光照前和光照t时间后的酸性品红在最大吸收波长处的吸光度值.2结果与讨论2.1 差热,热重分析

对PVA/Zri( Ac)2复合纳米纤维进行程序升温热处理,对应的TG-DSC曲线见图2.由图2曲线可以看出,PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维的热失重行为:加热到600℃时曲线趋于水平.这表明,PVA和醋酸锌中的有机物部分及其他易挥发物质已被完全除去.从TG曲线上可以看出,PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维的失重分3个阶段:第1阶段从200℃到270℃;第2阶段从270℃到460℃,这2个阶段可能是PVA/Zn( Ac)2复合纳米纤维的残余甲酸和醋酸锌结晶水的失去,以及醋酸锌和PVA侧链的分解;第3个阶段从460℃到520℃.DSC曲线上可以看出,PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维在500℃有1个明显的放热峰,这可能是PVA主链的热分解所造成的;当温度达到600℃时,曲线变得平缓,表明试样完全转变成为无机氧化物——氧化锌,2.2红外光谱分析

图3是PVA/Zn( Ac)2复合纳米纤维煅烧前后的红外谱图.图3谱线a中3 489,2 930,1 711,1 594,1 380,1 174,797 cm-1处出现的吸收峰是因PVA/Zn( Ac)2复合纳米纤维中O-H,C-H,C=O及C-C等键的振动引起的,煅烧至600℃时,这些峰减弱或者消失(图3谱线b),而在451和452 cm-1出现Zn0的特征吸收峰,这说明经过高温煅烧后,PVA和Zri( Ac)2已发生分解,生成了Zn0无机组分.煅烧后的红外光谱在3 421 cm-1也出现O-H键的特征吸收峰,这可能是PVA对Zn0纳米纤维进行原位表面修饰造成的.2.3 X射线粉末衍射分析

图4是PVA/Zn( Ac)2复合纳米纤维经600℃煅烧后的X射线粉末衍射(XRD)谱图.从图4可看出,经600℃煅烧后样品已经分解生成无机氧化物Zn0.

在图4的XRD谱图上,PVA/Zri( Ac)2复合纳米纤维煅烧到600℃时,在20= 22. 10,31.70,34. 30,36.20,45 .20. 47. 50, 56. 50, 62. 80, 66. 20, 67. 80, 69. 00, 72. 50,77. 00处衍射峰尖锐,各衍射峰的位置与JCPDS标准卡的衍射峰位置一致,可以确定PVA/Zn( Ac)2复合纳米纤维煅烧到600℃时产物为Zn0纳米纤维.2.4纤维形态分析

图5的(a)和(b)分别为PVA/Zri( Ac)2复合纳米纤维未煅烧和煅烧至600℃的SEM图.由图5(a),可以看出PVA/Zn( Ac)2复合纳米纤维表面光滑,粗细较均匀,在200 - 400 nm之间;由图5(b)看出,高温煅烧后,由于PVA和醋酸锌的分解及其他易挥发物质(如甲酸和C02等)的挥发,纤维直径变小,但仍保持了纤维的形状,直径约为100 nm.2.5光催化降解效果分析

图6是Zn0纳米纤维对酸性品红溶液的光催化降解率曲线,由图6可见,静电法制得的Zn0纳米纤维对酸性品红溶液的光催化速率较快,5 min就达到71. 79%,65 min后达到93. 40%.而不加催化剂,光照同样时间后,酸性品红溶液的颜色无明显变化.Zn0纳米纤维因其具有巨大的比表面积而显示出良好的光催化性能.研究表明[4],煅烧后的纳米纤维含有微小的、有缺陷的和无规则取向的孔隙,这些孑L隙可从液体或气体中吸附有色分子,在适当条件下进行氧化分解,最终脱色.和目前用于催化反应的粉体状纳米Zn0材料相比,Zn0纳米纤维由于有固定的形状和更好的机械强度,具有更好的操作性和易回收性,而且在高温煅烧时产生大量微孔,具有极大的比表面积,反应活性更高.

图7为Zn0纳米纤维重复使用对光催化降解率的影响.由图7可见,Zn0纳米纤维反复使用之后,光催化降解率逐渐下降,但并不十分明显.使用4次之后,其光催化降解率仍能达到70%以上,使用7次,脱色率为54.38%.由此可见,本方法制备的Zn0纳米纤维具有较高的重复使用性能,当然,太阳光催化时会受其光强的影响,试验表明,晴天的光催化效果优于阴天的效果.3结论

以甲酸为溶剂,聚乙烯醇为络合剂与醋酸锌反应制得PVA/Zn( Ac)2前驱体溶液,通过静电纺丝法制得PVA/Zri( Ac)2复合纳米纤维,经600 cc煅烧后得到直径为100 nm的纯Zn0纳米纤维.静电法制得的Zn0纳米纤维能对酸性品红溶液产生光催化降解作用.太阳光照65 min后,Zn0纳米纤维的光催化降解率能够达到93. 30%,并且本方法制备的Zn0纳米纤维具有较高的重复使用性能,重复使用4次之后,其光催化降解率仍能达到70%以上.

您对《ZnO纳米纷纷的静电纺丝及其光催化性能的研究》一文的评论