二氧化鈦納米晶自支撐連續(xù)纖維的制備、表征及其光催化性能.pdf

1、本文分別以鈦酸四丁酯和四氯化鈦為鈦源，采用改進(jìn)的溶膠-凝膠法，并結(jié)合離心甩絲和水蒸氣熱處理工藝制備了二氧化鈦納米晶自支撐連續(xù)纖維。這種新型光催化劑將催化活性組分和基體組分融為一體，不僅具有高的光催化活性、大的比表面積，而且易于分離回收，是一種具有廣闊應(yīng)用與發(fā)展前景的功能材料。運(yùn)用XRD、SEM、FTIR、UV-Vis DRS、XPS及N2吸附-脫附等多種現(xiàn)代表征手段對產(chǎn)物進(jìn)行了表征。以水中幾種典型難降解物質(zhì)為目標(biāo)污染物，評價(jià)了自制纖維的

2、光催化活性，并將其與物相結(jié)構(gòu)、顆粒形貌、光譜響應(yīng)特性等進(jìn)行了有效關(guān)聯(lián)，討論了影響光催化活性的主要因素。內(nèi)容主要分為以下三個(gè)部分： 第一部分，成功研制了新型的二氧化鈦溶膠旋轉(zhuǎn)甩絲裝置，創(chuàng)新性地將離心甩絲法應(yīng)用到二氧化鈦纖維制備領(lǐng)域。此裝置成本低廉，操作簡單，僅通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度和噴絲孔大小即可獲得直徑不同而彼此分離的單分散連續(xù)纖維；在此基礎(chǔ)上，改變旋轉(zhuǎn)角度和平移速度制備了固定成型的三維二氧化鈦纖維非織造布；還開發(fā)了一種與二氧化鈦纖

3、維適配的光催化凈水處理裝置，并與光導(dǎo)纖維組合實(shí)現(xiàn)了對太陽光的充分利用。相關(guān)各裝置己獲三項(xiàng)國家實(shí)用新型專利。離心甩絲法有效彌補(bǔ)了靜電紡絲法制備無機(jī)纖維的缺點(diǎn)，以其不可比擬的優(yōu)勢必將在無機(jī)纖維制備領(lǐng)域占有一席之地。 第二部分，以鈦酸四丁酯為鈦源，正硅酸乙酯為硅源，采用改進(jìn)的無模板劑溶膠-凝膠法，制備了高光催化活性的介孔硅摻雜二氧化鈦連續(xù)纖維。產(chǎn)物直徑約10～50μm，單絲平均長度大于1m，基質(zhì)由二氧化鈦納米晶與孔洞交替排列組成。通

4、過調(diào)節(jié)硅的摻雜量(Si/Ti=0～0.20)和熱處理溫度，可獲得纖維形貌、比表面積和孔結(jié)構(gòu)皆可控的自支撐連續(xù)纖維。硅摻雜樣品不但具有豐富的介孔結(jié)構(gòu)，而且比表面積大、熱穩(wěn)定性優(yōu)異。當(dāng)Si/Ti摩爾比為0.15，經(jīng)700℃熱處理后得到的產(chǎn)物比表面積和孔容最大，分別為127.7m2/g和0.25cm3/g。光催化降解染料X-3B的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該纖維表現(xiàn)出最佳的光催化活性，這主要?dú)w因于催化劑完整的銳鈦礦晶體結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和孔容以及良好的

5、紫外吸收特性。砷離子的吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，As(V)離子在二氧化鈦纖維上的吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)能夠較好地符合擬二級動(dòng)力學(xué)方程，等溫吸附線符合Freundlich方程，靜電吸引作用在吸附中占主導(dǎo)地位。As(Ⅲ)的等溫吸附線同樣符合Freundlich方程，但表面絡(luò)合作用在吸附中占主導(dǎo)地位。光催化消毒殺菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二氧化鈦纖維作為光催化殺菌劑不僅具有一定的殺菌效果，而且在無光照時(shí)還具有一定的抑菌性。 第三部分，以價(jià)廉易得的無機(jī)四氯化鈦

6、為鈦源，正硅酸乙酯為硅源，采用改進(jìn)的無模板劑溶膠-凝膠法，并結(jié)合水蒸氣熱處理工藝成功制得了氧缺位型二氧化鈦連續(xù)纖維。低溫下，水蒸氣的存在誘導(dǎo)二氧化鈦快速成核，加速了晶化過程，起到了催化劑的作用。同時(shí)，經(jīng)一步水蒸氣晶化處理得到了表面缺陷(Ti3+)含量豐富的二氧化鈦纖維產(chǎn)物，從而有效避免了傳統(tǒng)兩步法耗能費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn)。與P25相比，純二氧化鈦纖維吸收邊出現(xiàn)了一定程度的紅移現(xiàn)象，且在波長大于400nm的可見光波長范圍內(nèi)，吸收強(qiáng)度提高了約40％，

7、在可見光下表現(xiàn)了高的光催化活性，其主要原因是Ti3+表面態(tài)位于距二氧化鈦導(dǎo)帶底約0.3eV，可以捕獲導(dǎo)帶中的光生電子，提高光致電荷分離效率，減少電子-空穴復(fù)合，從而提高光催化效率；另一方面，氧空位在二氧化鈦價(jià)帶上方2.02～2.45eV處形成新的能級一氧空位能態(tài)，相當(dāng)于506～614 nm波長的光，即利用可見光的能量即可將價(jià)帶上的電子激發(fā)到氧空位態(tài)。而硅的摻雜會抑制Ti3+的生成，從而抑制硅摻雜二氧化鈦纖維對可見光的吸收，使其可見光催化