静电纺丝技术在光催化材料中的应用

芦 颖，秦湘阁

（佳木斯大学，黑龙江佳木斯154007）

0 引言

在过去的几十年里，随着能源需求的加大，工业化进程的加速，全球的环境问题也变得越来越严峻，水污染已经逐渐成为一个不可忽视的问题，尤其是工业废水的排放，已经严重影响了生态环境，因此污水的处理已经成为社会关注的热点问题。在各种处理污水的方法中，光催化技术因不会消耗过多的能源，且不会产生二次污染，被誉为绿色技术，是一种很有发展前景的方法，近几年对光催化材料的研究开发越来越多，成果也非常显著。

1 静电纺丝技术概述

静电纺丝技术是利用静电场形成的静电力，将黏稠的前驱液拉伸成纳米纤维的技术，因此要求前驱液具有一定的导电能力和黏稠度。静电纺丝使用的前驱液有2 种：一种是通过熔融而成的黏稠液体，需要不断对熔融液体加热，以保持其熔融状态；另一种是通过化学制剂配置黏稠的溶液，而最常用的化学制剂为高分子聚合物，通过调配高分子聚合物的种类、浓度来获得所需要的黏稠度。光催化剂的合成使用化学方法居多，因此常用高分子聚合物配制前驱液，所使用的高分子聚合物要求化学性质稳定，有良好的黏稠度，常用的高分子聚合物种类也很多，如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚丙烯腈（PAN）、聚乙烯醇（PVA）、乙酸纤维素（CA）等。

2 静电纺丝技术在光催化材料中应用的新成果

2.1 TiO2光催化剂

TiO2是最先被开发出来的光催化材料，为了改善TiO2的光催化活性，提高光催化效率，出现了许多新成果。

为了提高TiO2对可见光的利用率，使TiO2的光谱响应频率进入可见光区域是一条有效的途径，贵金属修饰方法可以调节TiO2的禁带宽度，使谱响应频率进入可见光区域。Liu等［1］使用静电纺丝法获得TiO2纳米纤维，并使用湿化学沉积法制备了Ag2O/TiO2复合纳米纤维，这种Ag2O/TiO2复合纳米纤维形成了p-n型异质结，改变了TiO2的禁带宽度，从而使光响应频率进入可见光区域，以罗丹明B 为污染物模型，当Ag2O和TiO2的比例为40 wt%时，可以获得最佳的光催化效果。g-C3N4是一种应用广泛的聚合物半导体，Tang等［2］使用一步静电纺丝法合成了g-C3N4/TiO2复合纳米纤维，该纤维具有较大的比表面和较高的孔隙率，以罗丹明B 为污染物模型，与原始的TiO2纳米纤相比，g-C3N4/TiO2复合纤维获得了6.4 倍的降解率。由于g-C3N4的存在，形成了Z-scheme型异质结，获得了一个狭窄带隙能量，使光响应进入可见光区域。Liu等［3］设计了磁性纳米纤维，使用磁铁进行回收，在进行污水处理时可以避免二次污染。该方法使用Fe3O4杂化TiO2前驱液，进行静电纺丝后煅烧，获得Fe2O3/TiO2柔性复合纤维，该柔性复合纤维在随后的光催化测试中展现出一个良好的光催化活性。

2.2 ZnO光催化剂

ZnO也是最早被发现的光催化剂之一，具有良好的光催化性能。Sabzehmeidani 等［4］用静电纺丝的方法合成了NiO/ZnO 纳米复合纤维，进一步提高了ZnO 的光催化活性。复合纳米纤维的平均直径为（150±50）nm，p 型NiO 和n 型ZnO 构成了p-n 型异质结，这种p-n 异质结与表面修饰不同，存在于NiO 立方结构和ZnO六方结构之中，促进ZnO光生电子的产生，煅烧温度和Ni、Zn比例的变化会影响半导体的晶相，从而改变光催化活性。通过对NiO/ZnO进行基于Langmuir-Hinshelwood 模型的一级动力学模拟计算，进一步阐明了该复合纤维的光催化机制，模拟计算结果与实验数据符合得很好。Lv 等［5］使用静电纺丝法和热交联法合成了一种多功能ZnO@PVA/KGM 高分子纤维膜，该纤维膜以20 mg/L 质量浓度的甲基橙为污染物模型，在太阳光下120 min脱色率为98%，并且极易从水中取出。此外，这种纤维膜具有高效的空气过滤性，对300 nm的超细颗粒滤出率为99.99%，高于商用HEPA 过滤网，同时由于光催化产生的活性成分，纤维膜还可以有效抑菌，属于多功能材料。

2.3 MgO光催化剂

一般来说氧化物光催化剂都是半导体，MgO却是一种高带隙能的绝缘体，但是MgO 纳米粒由于其自身的结构缺陷，也可以产生活性物质，从而起到光催化剂的作用。Mantilaka 等［6］使用PVA 作为高分子载体，采用静电纺丝的方式合成了MgO纳米纤维，并使用透射电镜和原子力显微镜对晶格结构和表面粗糙度进行了分析，使用活性黄作为污染物模型，获得了较好的光催化效果。

2.4 ZnFe2O4光催化剂

ZnFe2O4是一种光催化剂，它有1.9 eV 的窄带隙，提供了更大范围的可见光吸收，ZnFe2O4具有良好的磁性能，有利于光催化剂的回收。Bi2MoO6也是一种半导体，化学性质稳定、无毒，带隙约为2.6 eV，光驱动性好，具有独特的钙钛矿层状结构，这有利于光生电子的产生和分离，也是良好的光催化剂。Zhao 等［7］使用静电纺丝法和水热法构建了Bi2MoO6/ZnFe2O4纳米复合纤维，Bi2MoO6/ZnFe2O4形成异质结，在Bi2MoO6与ZnFe2O4的异质结接触位置，由于电子和空穴的扩散作用，产生了一个内部电场，形成空间电荷区，使光生电子更容易传输，阻碍光生电子复合，在随后的光催化测试中，Bi2MoO6/ZnFe2O4复合纳米纤维优于Bi2MoO6、ZnFe2O4单独存在的光催化活性。

2.5 MoS2光催化剂

MoS2属于层状过渡金属硫化物，它具有特殊的三层夹心结构，六方晶系形成S 原子层夹着Mo 原子层（S-Mo-S），由共价键和范德瓦尔斯力相连接。同时，由于MoS2具有1.75 eV较窄带隙，使得MoS2具有较好的带隙特性，成为一种有发展潜力的光催化剂。Ren等［8］合成了使用静电纺丝和水热方法，设计出具有3D结构的纳米棒CoFe2O4/花状MoS2复合纳米薄片，该纳米薄片在可见光的照射下，对刚果红降解速度是纯MoS2的12倍，降解效率为94.9%，光催化降解甲基橙和亚甲基蓝的能力也有所提高。这是由于纳米棒CoFe2O4和花状MoS2的协同作用，促进了光生电子的分离产生，阻止了光生电子-空穴对的还原复合。此外，CoFe2O4的磁性能也很好，保证其易于分离和回收。

3 结语

静电纺丝是制备一维纳米纤维常用的方法，通过调节溶液的黏稠度和静电纺丝电压，可以控制纳米丝的形貌，很多高分子聚合物都可以成为静电纺丝的载体，应用非常广泛。但是，静电纺丝的出丝率低，合成材料时间长，不适合大批量生产，已经成为该技术的瓶颈。目前已有科研人员尝试对静电纺丝设备进行改进，设计出多喷头纺丝机。相信在未来，静电纺丝技术会有更好的发展空间，为光催化剂的开发做出更大的贡献。