纤维素负载纳米Ag2O 复合材料对甲基橙降解性能研究

杨瑜珂

（成都理工大学工程技术学院 核工业西南物理研究院，四川 乐山 614000）

印染废水已导致严重的环境污染，其成分复杂，色度含量高，毒性较重，生物降解性差[1]，威胁着人类健康。传统的吸附方法吸附容量不高，长时间吸附效果较差，达不到高效可持续的降解效果。纳米氧化银具有特殊的纳米效应（小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应）等特殊性能，同时还有良好的光催化性、抗菌性、抗紫外线性、氧化性、强吸光性等特性，据报道，在光催化材料[2]、燃料及光伏电池[3-5]、传感器[6]等方面已有较为广泛的研究和应用。本文以净化染料废水为目的，以纤维素负载掺杂纳米Ag2O 制备了复合薄膜，并研究其对甲基橙的降解性能。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：二氧化钛（工业级，德固赛中国有限公司），甲基橙（C14H14N3SO3Na，南京亿迅生物科技有限公司），水（超纯水），其他化学试剂及药品为分析纯。

仪器：UV-1800 紫外可见分光光度计，BS224S 电子天平，DZF-6050 真空干燥箱，D/MAX-2500 X 射线衍射仪，JE-OL-1230 透射电子显微镜。

1.2 实验方法

粒子复合材料的制备：将TiO2粉末加入到AgNO3溶液中，在高速搅拌作用下加入NaOH 制得掺杂TiO2纳米Ag2O 粒子复合物，将准备好的掺杂TiO2纳米Ag2O 复合物加入到纤维素黏状液体中获得纤维素复合材料铸膜液，用玻璃片取少许铸膜液经处理后制得纤维素负载Ag2O/TiO2纳米粒子复合材料薄膜。

标准曲线绘制：配置甲基橙标准溶液，调整紫外分光光度计波长到464nm 处，检测各标准溶液的吸光度值。经Origin 线性拟合处理，获得吸光度值与甲基橙浓度关系。

其中：R2=0.999，表示拟合线性关系良好，符合检测标准。

1.3 测试与表征

对粒子复合材料（Ag2O/TiO2）进行X 射线衍射表征，根据各成分晶型特性分析其成分情况；采用TEM 进一步研究纳米粒子复合材料的微观形貌及分布情况；用紫外可见分光光度计测试不同成分的复合薄膜在不同条件下（pH 值）对甲基橙溶液处理前后吸光度值变化，用于表征复合粒子和复合薄膜的降解性能。

2 结果与讨论

2.1 XRD 表征

图1 为Ag2O/TiO2纳米粒子复合材料的XRD图谱。

图1 Ag2O/TiO2 纳米复合粒子的XRD 图谱

由图1 显示，纯Ag2O 粒子和TiO2粒子的所有衍射峰均符合其标准晶体结构特征，20%Ag2O/TiO2和40%Ag2O/TiO2复合粒子的XRD 图谱上均出现了Ag2O 和TiO2特征吸收峰，在2θ=33.4°处出现了Ag2O 的特征吸收峰最为明显，对应为Ag2O 晶体的（111）晶面，由此可以说明通过此方法成功制备了Ag2O/TiO2复合粒子材料（结合图2 可知其尺寸在纳米级）。

2.2 TEM 分析

20%Ag2O/TiO2粒子复合材料在投射电子显微镜下的微观形貌如图2 所示。

图2 透射电子显微镜表形貌分析

可明显观测到Ag2O 微小颗粒的尺寸小于20nm（图2-b 圆形表示），且均匀分布在TiO2基体上，构成的复合粒子的尺寸在100nm 以内（图2-a 六边形表示），证明通过该方法制得了Ag2O/TiO2纳米复合粒子材料；同时可观察到纳米复合材料的条纹（图2-b 矩形表示），这与XRD 分析一致，可能是Ag2O 和TiO2形成异质结所致，这种结构能促进电子-空穴的分离，有助于光催化活性的提高[9-11]。

2.3 对甲基橙降解性能分析

图3 为负载型净化薄膜（纳米复合粒子组成不同）对甲基橙的光催化降解前后及空白对照实验的浓度变化情况。

由图3 中曲线变化趋势可知，初始阶段（0～20min）对甲基橙的降解较快，随着甲基橙浓度降低（＞30min），降解性能逐渐趋于平缓；负载纳米复合粒子的薄膜在30min 内就能达到很好的降解效果；负载纯Ag2O 粒子薄膜及负载纯的TiO2粒子复合薄膜均不如负载Ag2O/TiO2纳米粒子复合薄膜对甲基橙降解性能好，由上述TEM分析可知，沉积在TiO2表面的Ag2O 尺寸更小，分散均匀，具有更强的小尺寸效应；另一方面，TiO2在紫外光的照射下，会发生电子跃迁产生导带电子和价带空穴，其表面沉积的纳米Ag2O 的能构成电子陷进，提高量子产率，减少导带空穴和导带电子的重组[7-9]，从而提高了其光催化活性[10-11]。对比不同pH 条件下降解情况发现，在1小时内，pH=7 的条件更有利于复合薄膜降解甲基橙，这可能是在中性环境条件下，负载Ag2O/TiO2纳米粒子复合薄膜对偶氮式结构的甲基橙降解效果更好，具体影响有待进一步验证。

经过重复降解试验（重复利用复合薄膜降解甲基橙5 次），其对甲基橙仍有大于40%的降解效率。由此说明负载Ag2O/TiO2纳米粒子复合薄膜重复使用性能良好，具有较好的紫外光照射稳定性。

图3 负载型净化薄膜催化降解甲基橙情况（不同pH 条件）

3 结论与展望

通过溶液沉积法制备的Ag2O 纳米粒子尺寸较小，且均匀分散于TiO2表面；负载Ag2O/TiO2纳米粒子的复合薄膜对甲基橙降解性能优良，远优于纯Ag2O 粒子和纯TiO2粒子，且具有较好的催化稳定性，能够循环使用；中性溶液环境有利于甲基橙的降解。Ag2O/TiO2纳米复合粒子的光催化机理较为复杂，需深入研究。当前，光催化降解尤其是光转换催化氧化已成为废水处理领域研究的前沿方向，如何将Ag2O 应用于近红外光催化氧化有待学者们进一步研究。