TiO2纳米纤维的制备及光催化性能研究

奚爱儒宏大研究院有限公司，北京　100176

TiO2纳米纤维的制备及光催化性能研究

奚爱儒
宏大研究院有限公司，北京100176

TiO2是一种重要的无机化工产品，TiO2纤维被广泛应用于抗菌保洁、净化空气、污染物降解等领域，由于其光催化效率高，化学性质稳定，使用过程不会产生毒害物质和二次污染，因此有着十分广阔的应用前景。本文将对TiO2纳米纤维的制备方法进行分析，并通过实验对TiO2纤维的光催化性能进行研究。

TiO2纳米纤维；光催化性能；制备方法

通常情况下TiO2纤维晶粒粒径减小的同时，其光催化性能也相应的提高，且当TiO2纤维的光催化性能最佳时，其粒径往往处于5nm到50nm之间。以往，业界采用钛酸盐晶须脱碱、水热法、溶剂热法等方法制备TiO2纤维，而采用这些方法难以制备出纳米级的TiO2纤维。目前，业界制备TiO2纤维最普遍的方法是溶胶——凝胶法和静电纺丝法。随着TiO2纳米纤维优秀的光催化性能逐渐被挖掘出来，其应用范围日趋扩大，市场前景十分广阔，积极研究TiO2纳米纤维的制备技术，对于促进其应用领域的技术发展有着重要的意义。

1　TiO2纳米纤维无纺布的制备

目前，在TiO2纤维的众多制备方法中，最常见的包括静电纺丝法和溶胶——凝胶法，现将两者的原理与特点介绍如下。

1.1静电纺丝法制备TiO2纳米纤维

历经十几年的发展，基于高压静电场下导电流体产生高速喷射的原理，静电纺丝作为一种能够简单、快捷地制备高质量的TiO2纤维的技术已经得到普遍认可和广泛重视。静电纺丝法制备TiO2纤维的基本原理如下：高压静电场下，聚合物溶液的电荷之间产生静电斥力，静电斥力大于液体表面张力时，导电液体从喷口高速喷出形成稳定的细流，喷射过程中，纤维保持一定电荷量并逐渐干燥变细，最终落在接收板上形成微纳米级的TiO2纤维。

通过静电纺丝法制备出来的TiO2纤维，具有较高的比表面积、表面活性，在力学性能、导电性能、吸附性能等方面均明显优于传统方法制备出来的TiO2纤维，除此之外，静电纺丝法制备的TiO2纤维还具有良好的过滤性、粘合性、保温性以及阻隔性等等，这使得静电纺丝法制备的TiO2纳米纤维应用范围更广。

静电纺丝技术的日趋成熟，使得超细纤维的制备成为了可能，除了制备TiO2纳米纤维之外，静电纺丝技术还可应用于合成物、陶瓷、高分子聚合物的制备。静电纺丝法的优势不但在于能够制备纳米级的TiO2连续纤维，还在于能够制备出多种纤维的 集合体，对各种维实现加强和优化。利用静电纺丝技术，能够制造多种集合体形式的纤维，进而制备出各种结合体形式，能够进一步提高织物的机械性能，有助于扩大其应用范围。

1.2溶胶—凝胶法制备TiO2纳米纤维

溶胶—凝胶法是将金属盐或烷氧金属等前驱体加水分解后缩聚形成溶胶，加热去除溶剂，得到网状氧化物凝胶的制备法。与钛酸盐晶须脱碱法、水热法、溶剂热法等制备方法相比，溶胶—凝胶法的制备更为方便，对材料的组分控制更加可行，且能够制备出特定微观结构的复合材料。

通过溶胶—凝胶法制备TiO2纤维，无需借助其他辅助溶液，通过这种方式制备出来的TiO2纤维具有极高的钛含量。由于具备上述优势，目前溶胶—凝胶法制备TiO2纤维已经能够实现工业化生产，且目前该制备方法也是最具有工业化生产前景的TiO2连续纤维制备方法之一。

随着静电纺丝技术的日趋成熟，有学者将静电纺丝技术与溶胶—凝胶法结合。2007年，Greiner等以PMMA和TiO2无水溶胶为前驱体，煅烧法去除PMMA，制备出掺杂碳的TiO2纤维；丁源维等制备出了具有高光催化性能的TiO2/PVA符合纳米纤维。

综上所述，静电纺丝法制备TiO2纤维，是目前TiO2纤维众多制备方法中最优越的一种，也是其中唯一能够制造连续纤维的方法，且通过静电纺丝技术，可以将TiO2纤维的直径控制在纳米级内，这对于提高TiO2纤维的光催化性能有着显著的作用。因此目前静电纺丝法制备TiO2纤维已经得到了学界的一致推崇，且技术日趋成熟，在业界得到了一定程度的推广。但与此同时，静电纺丝法制备TiO2纤维的工艺流程较为复杂，需要对制备过程中的各种技术参数，包括纺丝液的浓度、喷头与收集装置的距离、电场强度、空气的温湿度等进行严格控制，因此实施起来对设备性能与生产管理水平要求极高。

2　TiO2纳米纤维的光催化性能分析

2.1TiO2纳米纤维光催化性能检测试验

对TiO2纳米纤维的光催化性能进行分析，可首先进行两个实验。

实验一：对苯酚水溶液中吸光谱随光照时间的变化情况进行测定，即将TiO2纤维置于苯酚水溶液中，对其紫外线吸收光谱进行测定，得到图1所示的结果。

实验二：将同质量不同平均直径的两种TiO2纳米纤维分别置入浓度为0.4mg/L的两种亚甲基蓝溶液中进行催化检测，以紫外线照射，每15min对样品进行检测，共照射90min。记录检测数据并绘制曲线。

2.2TiO2纳米纤维光催化性能检测结果

实验一结果分析：如图1所示，在整个吸收光谱范围内，苯酚水溶液的吸收光度随着时间的延长而逐渐降低。且当时间为2h时，苯酚水溶液的降解率已经高于85%，说明TiO2具有良好的光催化性能。

实验二结果分析：通过每15min一次的检测，发现经纳米粒径制备的TiO2纤维对亚甲基蓝的分解率始终高于经前驱体制备的TiO2纤维对亚甲基蓝的分解率，这说明经纳米粒径制备的TiO2纤维具有更高的光催化效率，究其原因，主要与经纳米粒径制备的TiO2纤维具有更小的平均直径有关，平均直径较小的情况下，同质量的纤维就具有更大的表面积，进而增大了光催化反应的面积，因此光催化效率随之而提高。

3　总结

通过本文的研究主要可得到以下结论：1）以TiO2纳米颗粒作为原材料，采用静电纺丝技术制备TiO2纳米纤维，工艺较简单，以控制，效果理想，值得推广应用。2）TiO2纤维具有良好的光催化性能，在质量相同，制备方法不同的情况下，平均直径更小的TiO2纤维具备更大的光催化反应面积，因而光催化效率相对较高，而经纳米粒径制备TiO2纤维可降低TiO2纤维的平均直径，对于提升其光催化性能有着显著的效果。

TiO2纤维由于性能优越，用途广泛，逐渐受到人们的重视，其制备技术也正处于不断创新Yui发展的过程中，但目前仍有很大的研究空间，除此之外，由于静电纺丝法制备TiO2纳米纤维尚未得到全面普及，TiO2纤维制备的规模化产业应用还有很长的一段路要走。

［1］滕乐天，赵康，汤玉斐.静电纺丝制备TiO2纳米纤维的光催化性能［J］.硅酸盐学报，2012，40（8）：1215-1219.

［2］高春涛，蔡以兵，王清清.TiO2纳米纤维的制备及其对染料的光催化降解性能［J］.功能材料，2013，2（44）：240-248.

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1674-6708（2015）152-0109-01