多级TiO2纳米阵列的组装及光催化降解性能研究

黄 鹭

(六盘水师范学院 化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004)

光催化技术作为一种高级氧化处理技术，可直接利用太阳光，制备条件温和、氧化性强[1]。半导体纳米材料具有特殊光电性质，其中，TiO2纳米材料作为光催化剂的新颖性和功能性使其成为相关领域的研究热点，并成为纳米研究领域的重要组成部分[2-5]。本文通过微乳液法和模板法，合成了按一定规则均匀排列、高度有序且比表面积大的多级TiO2纳米阵列材料。和普通结构的纳米材料相比，多级纳米阵列材料表现出更优越的光学、磁学和光催化性能[6-7]。

1 实验

1.1 多级TiO2纳米颗粒聚集体的制备

采用微乳液法[8-9]，以十六烷基三甲基溴化铵(C19H42BrN，CTAB)作为表面活性剂、通过互不相溶的有机溶剂环己烷和硫酸钛的相互作用，形成微乳体系，经离心干燥后，收集最终形成的纳米TiO2粉体，即为粒径小、纯度高、稳定性好的多级TiO2纳米颗粒聚集体。

1.2 多级TiO2纳米阵列的制备

将氧化铝模板(AAO)的其中一面作为基底进行喷金处理，称取第一阶段实验中制备的TiO2粉体10 mg分散在100 mL的乙醇溶液中，超声振荡30 min制备得到TiO2溶胶。

如图1所示，将AAO模板沉积在TiO2溶胶中，让TiO2在模板的孔洞中发生聚集，当AAO模板浸在TiO2溶胶中时，由于毛细管作用，TiO2纳米颗粒会进入氧化铝模板孔道中。用AAO模板制备得到的多级TiO2纳米阵列比表面积大，具有较强的吸附作用， TiO2纳米颗粒在AAO模板的孔道内聚积，沉积时间至12 h时，形成多级TiO2纳米短棒阵列结构。

多级TiO2纳米颗粒在AAO模板的孔洞中继续聚集生长，待沉积时间延长至36 h时，形成尺寸更长、比表面积更大的多级TiO2纳米阵列结构。

图1 多级TiO2纳米阵列的制备过程示意图Fig.1 The preparation principle diagramof hierarchical TiO2 nanorod arrays

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

采用Shimadzu X射线衍射仪(X-ray diffraction，XRD-6000，Cu靶，Kα射线)表征其晶体形态。如图2所示，衍射峰25.306°对应的是TiO2锐钛矿相结构的(101)面(JCPDS No.21-1272)。

图2 多级TiO2纳米阵列XRD图像Fig.2 The XRD images of hierarchical TiO2 nano-arrays (TiO2 HNAs)

2.2 EDX分析

图3 多级TiO2纳米阵列EDX图像Fig.3 The EDX images of TiO2HNAs

采用电子散射能谱(Energy dispersive X-ray，EDX)数据取自扫描电镜，如图3所示，符合TiO2的元素含量分布。

2.3 SEM分析

图4 多级TiO2纳米阵列的SEM图像Fig.4 The SEM images of hierarchical TiO2HNAs

采用S4800扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM, Hitachi)表征多级TiO2纳米阵列的形貌，如图4所示，。由于在模板中受限制生长，多级TiO2纳米颗粒聚集体能够聚集并复制氧化铝模板纳米孔的形貌和排布，形成了规则均匀、致密的纳米阵列。

3 光催化性能研究

实验采用YZ-GUX-A光催化反应仪(上海严征仪器有限公司)，将50 mg/L等量催化剂分别投入浓度为30 mg/L甲基橙模拟废水中，在300 W紫外光源条件下进行光催化降解实验并作对比分析，反应时间为50 min。实验结果如图5所示，相比于无规则排列的多级TiO2纳米颗粒聚集体(TiO2NP)，多级TiO2纳米阵列(TiO2HNAs for 36 h)20 min达到90%，30 min可达到95%，之后降解率一直保持稳定在96%左右。实验结果表明，多级TiO2纳米阵列对甲基橙溶液有良好的降解效果。

图5 不同形貌的TiO2纳米材料对甲基橙去除率的影响Fig.5 Degradation rate of methyl orange solution with different morphology

4 结论

通过在AAO模板中组装而成的多级TiO2纳米阵列形貌新颖，排列均匀缜密、高度有序，为纳米材料的组装提供了新的思路和手段。多级TiO2纳米阵列由纳米颗粒作为基本结构单元，其表面和间隙能大量的吸附废水中的有机污染物，光催化降解效率显著提高，这一发现开阔了TiO2光催化剂的理论研究，也为光催化处理有机染料废水的应用前景提供了更多的可能性。