CeO2納米纖維的制備及性能表征

袁丹妮等

【摘 要】采用靜電紡絲法制備了CeO2納米纖維，利用XRD、SEM對樣品的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征。以甲基橙為目標(biāo)降解物，研究了CeO2納米纖維在自然光作用下的催化降解性能，利用UV-Vis對吸光度變化進(jìn)行了表征。結(jié)果表明煅燒溫度為500℃時，纖維形貌最好；CeO2納米纖維對甲基橙的催化降解作用優(yōu)于工業(yè)用微米級CeO2粉末。

【關(guān)鍵詞】靜電紡絲；CeO2納米纖維；催化降解

0 引言

CeO2屬于典型的螢石型立方相氧化物，該結(jié)構(gòu)中有許多立方體空隙，通常被稱為敞型結(jié)構(gòu)。作為一種重要的功能型材料，由于其獨特的性質(zhì)，CeO2被廣泛應(yīng)用于氧化還原反應(yīng)中，在機(jī)械、催化、電化學(xué)和光學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值[1-4]。

本文采用靜電紡絲技術(shù)制備了CeO2納米纖維，并采用XRD、SEM對纖維的結(jié)構(gòu)及形貌進(jìn)行了表征，采用甲基橙作為目標(biāo)降解物，對CeO2纖維的催化性能進(jìn)行了研究。

1 實驗

稱取適量硝酸鈰用去離子水溶解，攪拌直至完全溶解，另外稱取少量PVP（K-88）加入無水乙醇中，攪拌直至完全溶解，然后將兩種溶液混合，繼續(xù)攪拌至完全混合均勻，即得到均勻、透明且有一定粘度的前驅(qū)體溶液。將前驅(qū)體溶液放置到靜電紡絲儀器的注射器中，在注射器針頭和接收器分別加上電壓，調(diào)節(jié)電壓大小，即可在接收器的鋁箔上收集到復(fù)合纖維。將復(fù)合纖維置于馬弗爐中煅燒，分別在500℃、800℃、1000℃、1200℃保溫2h，最終得到淡黃色固態(tài)樣品。

將甲基橙用去離子水充分溶解得到甲基橙溶液，然后取100mL甲基橙溶液置于錐形瓶，將錐形瓶放入25℃的恒溫水浴中，攪拌下加入0.20g制得的CeO2納米纖維，分別在反應(yīng)1h、3h、24h后測試溶液的吸光度值。另外稱取0.20g購買的工業(yè)用CeO2粉末作為CeO2納米纖維催化降解的對比實驗。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 SEM分析

圖1為復(fù)合纖維在不同溫度下煅燒所得的CeO2樣品的SEM照片。當(dāng)煅燒溫度為500℃時，纖維分布好，表面光滑，且直徑很均勻（圖1（a））；當(dāng)煅燒溫度為800℃時，纖維直徑也較為均勻（圖1（b））；但是當(dāng)煅燒溫度達(dá)到1000℃時，雖然樣品仍能保持一維納米纖維結(jié)構(gòu)，但纖維表面變得粗糙，且直徑不均勻（圖1（c））；當(dāng)煅燒溫度升高到1200℃時，樣品的形貌發(fā)生了很大的變化，一維納米纖維結(jié)構(gòu)幾乎完全消失，轉(zhuǎn)變成顆粒狀（圖1（d））。因此，在煅燒溫度為500℃時能得到形貌最好的CeO2納米纖維。

圖4為CeO2納米纖維催化作用下甲基橙溶液在不同催化劑作用下的紫外光譜圖。其中，（a）為初始甲基橙溶液的紫外光譜圖，（b）、（c）分別為CeO2納米纖維和工業(yè)用微米級CeO2顆粒降解后的甲基橙溶液的紫外光譜圖。由圖中可以看出，CeO2納米纖維和工業(yè)用微米級CeO2粉末對甲基橙溶液均有催化降解作用，但CeO2納米纖維的催化降解作用比工業(yè)用微米級CeO2粉末明顯很多。計算得出加CeO2納米纖維經(jīng)過3h攪拌后降解率為48%，而加工業(yè)用微米級CeO2粉末經(jīng)過3h攪拌后降解率為15%。

實驗表明，CeO2納米纖維的催化降解作用優(yōu)于工業(yè)用微米級CeO2粉末。這是因為，當(dāng)CeO2的粒徑減小到納米級時，表面原子迅速增加，光吸收效率提高，使光生載流子的濃度增大，而且CeO2納米纖維的比表面積非常大，甲基橙的吸附量增加，從而增大了降解反應(yīng)的幾率。因此，CeO2納米纖維的催化活性遠(yuǎn)大于微米級CeO2粉末，表現(xiàn)出優(yōu)異的催化降解作用。

3 結(jié)論

本文采用靜電紡絲的方法成功制備了立方相多晶CeO2納米纖維，當(dāng)煅燒溫度為500℃時，纖維形貌最好，表面光滑，且直徑很均勻。紫外光譜分析表明，靜電紡絲制備的CeO2納米纖維和工業(yè)用微米級CeO2粉末對甲基橙均有催化降解作用，CeO2納米纖維對甲基橙的催化降解作用優(yōu)于工業(yè)用微米級CeO2粉末。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：劉展]