静电纺丝法制备ZnO纳米纤维及其光催化性能的研究

第24卷　第1期

2008年1月福建师范大学学报(自然科学版)Journal of Fujian N o r m al U niversity (N atural Science Editi on )V o l 124　N o 11Jan 12008文章编号:100025277(2008)0120066204

静电纺丝法制备ZnO 纳米纤维及其光催化性能的研究

刘　艳,夏　宁,陈日耀,郑　曦,陈　震3

(福建师范大学化学与材料学院,福建福州　350007)

摘要:以聚乙烯醇作为络合剂与醋酸锌反应制得纺丝液,采用静电纺丝法制得聚乙烯醇 醋酸锌复合纤维,经煅烧后得到直径为100nm 的纯ZnO 无机纳米纤维.对所制得的纳米纤维的结晶度、纯度和表面形貌,分别采用X 射线粉末衍射、差热2热重分析(T G 2D TA )、红外光谱(I R )、扫描电镜(SE M )等分析测试手段进行表征.光降解亚甲基蓝水溶液的实验结果表明,700℃下煅烧得到的ZnO 纳米纤维,紫外光照60m in 使质量浓度为20m g L 亚甲基蓝溶液的脱色率达99%,ZnO 纳米颗粒对亚甲基蓝脱色率为84%,这充分说明ZnO 纳米纤维具有良好的光催化性能.

关键词:静电纺丝法;纳米纤维;氧化锌

中图分类号:O 614141;TQ 342193 文献标识码:A

　收稿日期:

2007206211　基金项目:

福建省教育厅基金资助项目(JB 06069;JB 05314)　作者简介:

刘艳(1982—　),女,湖北荆门人,硕士研究生.

3通讯作者:zc 1224@publ 1fz 1fj 1cn

Prepara tion and Photo -ca ta lytic Character iza tion of ZnO

Nanof ibers by Electrosp i nn i ng

L IU Yan ,X I A N i ng ,CHEN R i -yao ,ZHENG X i ,CHEN Zhen 3

(Colleg e of Che m istry and M aterials S cience ,F uj ian N or m al U niversity ,F uz hou 350007,Ch ina )

Abstract :PVA zinc acetate com po site fibers w ere p repared u sing so l 2gel p rocessing and

electro sp inn ing techn ique .T he p u re ino rgan ic ZnO nanofibers w ith a diam eter of 100nm

w ere ob tained after the p recu rso r fibers w ere calcined at 700℃

.ZnO nanofibers w ere characterized by XRD ,T G 2D TA ,FT 2I R and SE M ,resp ectively .T he resu lts show ed that m ethylene b lue w as m ineralized in aqueou s con tain ing ZnO nanofibers upon radiati on w ith u ltravi o let ligh t and the m ineralizati on rate w as clo se to 99%at 60m in .ZnO nanofibers have a better p ho tocatalytic p rop erty than that of ZnO nanop articles fo r degradati on of m ethylene b lue .

Key words :electro sp inn ing ;nanofibers ;ZnO

纳米ZnO 作为一种宽带隙、高激发能的n 型半导体氧化物[1],具有许多优良的性质,因而被广泛应用于变阻器[2]、传感器[3]、光催化等许多领域.已有ZnO 纳米线[4]、纳米棒[5]及纳米带[6]等的报道.众所周知,纳米粉体易团聚,使用时易损失,且回收困难,这些缺陷在一定程度上限制了它的实际应用.如果把ZnO 制成纳米纤维,由于纳米纤维组成一定厚度的膜具有固定的形状和较好的机械强度,所以具有良好的可操作性和易回收的优点[7].

本文采用静电纺丝法制备了ZnO 纳米纤维,用均相沉淀法制备了ZnO 纳米微粒,并用其降解亚甲基蓝染料.由于用静电纺丝法制备的ZnO 纳米纤维,具有较大的比表面积和纳米微孔结构[8],所以亚甲基蓝脱色效果显著.

1　实验部分

111　试剂及仪器

聚乙烯醇(PVA ,国药集团化学试剂有限公司,平均相对分子质量为60000)、醋酸锌Zn (A c )2・2H 2O 、无水碳酸钠、ZnSO 4・7H 2O 均为市售分析纯试剂.实验溶液以二次蒸馏水配制.

X πp ert P ro 粉末衍射仪,Ph ili p s 公司出品,Cu K Α

,N i 滤波,管流40mA ,管压40kV ,扫描速度2(°) m in ;红外光谱分析采用N ico late 公司的670型FT 2I R 测定,KB r 压片;差热2热重(T G 2D TA )分析采用S 公司T G 2D TA 6300热分析仪,空气气氛,升温速率为10℃ m in ;采用JS M 26360LV 扫描电镜对纤维进行形貌观察.

112　前驱体溶液配制

称取115g Zn (A c )2・2H 2O 溶解于15mL 去离子水中,在搅拌下将醋酸锌溶液缓慢滴加到40mL 质量分数为12%的PVA 溶液中,在70℃下继续搅拌2h ,制得PVA Zn (A c )2前驱体溶液(纺丝液).113　ZnO 纳米纤维的制备

图1　静电纺丝装置示意图把纺丝液装入内径为16mm ,体积为10mL 的注射器中,将

该注射器安置在微量注射泵上.按图1所示装置纺丝.将高压电

源的正电极夹在注射器的金属针头上,另一个电极与距针头6～

15c m 的铝箔纸相连.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T aylo r 锥体,在高压电场下进行纺丝.

具体纺丝条件为:供料速度5ΛL m in ,电场约为1kV c m ,针头

与铝箔纸间的距离为13c m .这样,获得的PVA Zn (A c )2复合

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,于80℃下真空干燥4h 后,放入马弗炉中,以10℃

m in 的速率升温,于700℃下煅烧2h ,得到分布均匀的ZnO 纳米纤维.

114　ZnO 纳米颗粒的制备

取0112m o l 无水N a 2CO 3溶解在240mL 蒸馏水中,在剧烈搅拌下,缓慢滴入200mL 015m o l L 的ZnSO 4溶液,继续搅拌015h ,静置后过滤,洗涤,放入80℃烘箱中干燥3h ,继而在500℃下焙烧1h ,自然冷却至室温,得到白色粉体.

115　光催化性能测试

配置质量浓度为20m g L 的亚甲基蓝溶液

.取3个锥形瓶,各加入150mL 亚甲基蓝溶液,往一个瓶中加40m g ZnO 纳米纤维,另一个瓶加40m g ZnO 纳米颗粒,第三个瓶不加任何催化剂,调节溶液的pH 值至3,静置2h 后,将3个锥形瓶移入紫外光照射的容器中(江阴光电仪器公司出品的20W 杀菌紫外灯,主波长25317nm ),电磁搅拌,每隔10m in 取样,以1c m 石英皿为样品槽,水为参比,采用紫外可见分光光度计对样品在300～800nm 区进行全程扫描,选取最大吸收波长664nm 处,测定样品吸光度的变化.

2　结果与讨论

211　差热-热重分析

图2中T G 结果表明,PVA Zn (A c )2复合纤维加热到700℃时,PVA 和醋酸锌中的有机物部分及其它易挥发物质(H 2O 和CO 2等)被完全除去,剩余物质应为纯ZnO .D TA 曲线共有5个较大峰,在300℃之前有2个较大吸热峰(166℃和296℃),这是PVA 醋酸锌复合纤维残余的水分和醋酸锌失去结晶水以及醋酸锌和PVA 支链的分解峰,从T G 曲线上看出在这个分解过程中,质量减少45%;在333℃,419℃和480℃出现的3个较大的放热峰是PVA 主链的分解峰,从300℃到500℃的分解过程中,

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