余 荣

（西北大学现代学院，陕西西安 710130）

金负载二氧化钛纳米纤维膜来提高光催化性能

余 荣

（西北大学现代学院，陕西西安 710130）

通过水热法制备二氧化钛纳米纤维薄膜，同时运用微波辅助化学还原法将Au纳米颗粒负载于TiO2NFF表面制得Au/TiO2NFF，并将其应用于光催化降解亚甲基蓝（MB）的实验。

金纳米颗粒；纳米纤维薄膜；光催化剂；等离子体

纳米TiO2是一种重要的无机功能材料，制备和应用技术的研究非常活跃。虽然TiO2具有高的光催化活性和良好的耐腐蚀性等优点，但TiO2的禁带宽度较大，在光反应中电子和空穴较易复合，从而抑制了TiO2的光催化性能。向纳米管TiO2中掺杂金属离子，能够有效改变TiO2纳米管的光催化效率。

1 实验过程

1.1 TiO2纳米纤维膜的制备（TiO2NFF）

对金属钛进行预处理，浸入丙酮30min后取出，然后用去离子水清洗，最后用组成为HF∶HNO3∶DI=1∶4∶5的混酸抛光10min，浸入无水乙醇中备用。

采用水热法制备纳米TiO2NFF∶配取NaOH溶液并加入25mL乙二醇，同时加入处理好的钛片，在水热合成反应釜中进行反应，结束后进行干燥，取出钛片酸化，最后对样品退火，得到TiO2NFF。

1.2 Au/TiO2纳米片薄膜的制备

称取一定量的氯金酸固体和聚乙烯吡咯烷酮（PVP K30），分别配制成溶液，在搅拌状态下将两种溶液混合，并将二氧化钛纳米片在微波反应器中进行反应。结束后降温至室温，取出已负载Au纳米颗粒的TiO2纳米纤维薄膜样片，用乙醇和去离子水多次洗涤，室温下晾干，即得Au/TiO2NFF（本实验中氯金酸溶液浓度为X=0.2、0.4、0.6、0.8和1）。

1.3 光催化活性评价

利用亚甲基蓝（MB）对样品进行光催化活性评价。将制得的样品放入MB中，以300 W氙灯作为可见光光源，置于黑暗条件下搅拌，促进催化剂表面吸附平衡，同时鼓入空气。照射100min，根据该浓度MB在664nm处的吸光度特性，用分光光度计进行测量。

2 实验结果与讨论

2.1 SEM测试结果

图1（a）为纯TiO2NFF的宏观图，TiO2NFF是由二氧化钛纳米纤维互相缠绕形成的具有坚固表面的网状结构，这种结构有利于改善TiO2的光散射。图1（b）是放大2 000倍的微观图。研究发现，所制备的TiO2纳米纤维薄膜结构比TiO2粉状结构更容易回收，有利于催化剂的实际应用。

图1（c）所示为Au/TiO2NFF的SEM图，Au纳米颗粒均匀的分散在TiO2NFF上，未发生严重聚拢。图1（d）为放大图，可看出在Au纳米颗粒负载在TiO2NFF，TiO2NFF的形态几乎未发生改变，这表明实验借助PVP K30和DEG采用化学还原法将Au纳米颗粒负载到TiO2NFF上是合理的。

图1 纯TiO2NFF SEM图像（a）、纯TiO2NFF SEM部分放大图（b）、0.8 TiO2NFF SEM图像（c）、0.8 TiO2NFF SEM部分放大图（d）

2.2 紫外可见吸收光谱分析

图2（a）可知，由于TiO2存在电子跃迁情况，使得样品在390nm以下表现出较强的吸收范围。因为样品的纳米纤维结构，纯TiO2NFF也显示出可见光的吸收性能。Au/TiO2NFF由于540nm的Au纳米粒子在TiO2基质上发生等离子体共振而使得Au/TiO2NFF在可见光区域具有宽带峰，同时也证明Au纳米粒子存在于样品中。整体表明，Au/TiO2NFF对可见光的吸收强度随Au浓度的增加而增强。

由图2（b）可知，在390 nm和520nm处有明显的吸收，是因为Au/TiO2NFF具有重叠捕获光纳米结构。这一结构的形成是因为可见光在照射进入Au/TiO2NFF时有一小部分被TiO2NFF所吸收，还有一部分通过折射最终被金纳米粒子所吸收，这一过程即为重叠光捕获。重叠的光收集意味着金纳米粒子与TiO2NFF之间有着强的相互作用。

2.3 光致发光光谱（PL）分析

图3显示出TiO2NFF光致发光光谱强度较大，在380nm左右出现峰值，而掺杂Au纳米颗粒之后，Au/TiO2NFF光致发光光谱强度明显降低。并且，光致发光光谱强度随着Au纳米粒子数量的增多而降低更明显，这有可能是因为Au纳米颗粒掺杂在TiO2表面的数量增加。PL光谱的研究表明Au的负载不但有效抑制了光生电子与空穴的复合，同时提高载流子分离效率，导致TiO2光致发光光谱强度明显降低。

2.4 样品光催化活性分析

图4（a）呈现的是在紫外光和可见光照射下（λ＞420 nm）100min后，光催化降解亚甲基蓝（MB）的效率。由图可知，所有Au/TiO2NFF的光催化活性都高于纯TiO2NFF。在金纳米颗粒沉积之前，纯TiO2NFF对MB的降解性能较差，降解效率仅为19.11%。在金纳米颗粒沉积之后，样品的降解性能随着金浓度的增长，降解效率随之提高。金纳米颗粒含量越高，光吸收越多，组合电子和空穴的机会就越低，光催化活性就越高。实验结果表明∶在紫外光和可见光的照射下，0.8的Au/TiO2NFF和1.0 Au/TiO2NFF是最活跃的样品，其相对应的降解效率分别为98.22%和98.10%，这是纯TiO2NFF的5.14和5.13倍。

图2 样品的紫外-可见吸收光谱，其中金沉积前后的吸收光谱颜色相同（a）；在不同样品中的金纳米粒子的紫外-可见吸收光谱减去纯TiO2的吸收所获得的贡献（b）

图3 激发态下样品在220 nm处的荧光发射光谱金前后的发射光谱在相同颜色的沉积

图4（b）为Au/TiO2NFF使用可见光（λ ＞ 420 nm）照射的光催化降解效率图。由图可知，TiO2薄膜独特的可见光捕获纳米结构可以提高光敏华过程。通过研究，0.8的Au/TiO2NFF将活性提到最高，降解亚甲基蓝的效率为41.29%，表明Au/TiO2NFF在可见光照射下发挥着重要作用。

图4 光催化下紫外可见光图（a）和100min可见光图（b）照射后的光催化降解效率

3 结束语

采用水热法和微波辅助化学还原法以及乙二醇辅助相结合的方法制备了Au/TiO2NFF。所制备出的样品由于金纳米粒子和TiO2NFF之间的LSPR效应而表现出明显的重叠光吸收。在紫外光和可见光照射下，超过0.8 TiO2NFF的光降解速度比纯TiO2NFF的速度要快得多。对纯TiO2NFF进行改进，使得金纳米粒子负载在TiO2NFF上，提高了TiO2NFF膜状纳米结构和催化性能。

[1] 陈小兵，成晓玲，余双平，等.纳米 TiO2薄膜制备技术研究进展[J].精细石油化工进展，2004，5（2）∶23-29.

[2] B.O’Regan，X.Li，and T.Ghaddar，“Dye adsorption，desorption，and distributionin mesoporous TiO2films，and its effects on recombination losses in dye sensitized solar cells，” Energy Environ. Sci.5，2012，7203-7215.

[3] T.Sun，E.Liu，and J.Fan，“High photocatalytic activity of hydrogen production from water over Fe doped and Ag deposited anatase TiO2catalyst synthesized by solvothermal method，” Chem.Eng.J.2013，228，896-906.

Gold Supported Titanium Dioxide Nanofiber Membrane to Improve Photocatalytic Performance

Yu Rong

Au-TiO2NFF was prepared by hydrothermal method，and the Au nanoparticles were supported on the surface of TiO2NFF by microwave-assisted chemical reduction.The photocatalytic degradation of methylene blue（MB）was carried out.The

gold nanoparticles；nanofiber film；photocatalyst；plasma

TS195.5

B

1003-6490（2017）02-0054-02