新型CdS/CNTs光催化材料的制备及性能分析

冯海东

【摘要】实验研究中采用硝酸镉和硫代乙酰胺作為原材料，经实现由浓硝酸处理后的碳纳米管（cNTs）表面形成了硫化镉（Cds）纳米颗粒，以上是制备Cds/CNTs光催化剂的大体流程。于可见光条件下比较分析了不同样品的光催化性能。结果表明，Cds/CNTs样品对甲基橙表现出较高的降解能力，提示在Cd_S/CNTs样品内CHs持有分离电子—空穴对的功能。

【关键词】碳纳米管 硫化镉 甲基橙 光催化性能

碳纳米管又被称之为巴基管，为一类具有特殊结构的一维量子材料，碳纳米管层和层间距固定，约为0.34nm，内径取值范围为2～20nm。近些年，碳纳米管在商品化生产领域中有较广泛应用。很多国外学者对碳纳米管表面负载硫化镉（CdS/CNTs）的制备工艺与性能进行较深入研究，取得较好成果。本文主要探究CdS/CNTs光催化剂的制备工艺，分析其在光催化降解方面表现出的性能，以期对材料推广过程有一定促进作用。

1、实验过程

1.1 制备碳纳米管

精确量取，1gNTs，将其兑入55mL浓硝酸内，以电磁形式予以搅拌，于120℃恒温条件下持续加热回流8h，而后冷却、抽滤、洗涤，使滤液呈中性，放置于80℃干燥箱中干燥，经研磨处理获得CNTs。

1.2 制备CdS/CNTs光催化剂

把经酸氧化处理后获得的CNTs加至100mL 0.006mol/L Cd（NO₃）₂溶液内，超声分散处理0.5h;磁力持续搅拌2h。把过量硫代乙酰胺滴进以上混合液内，继续搅拌2h。待以上反应结束后静置样品，抽滤、洗涤、干燥后以备用。

1.3 降解实验

将155ml 20mg/L甲基橙放置于烧杯内，整合CdS/CNTs粉末，于避光条件下静置2h，拟化自然光照条件并开展光催化降解实验。降解进行一段时间后量取适量混合液，离心处理后采用光度计检测最大吸收波长位置对应的吸光度，测算脱色率，其代表着光催化效率。

依照Lambert-Beer定律，于较低的浓度范畴中，发现甲基橙浓度与吸光度两者呈现出明显的线性相关性，可采用如下公式测算溶液的脱色率：

脱色率（%）;D=100×（C₀-C）/C₀=100×（A₀-A）/A₀

在上式中，C₀、C、A₀、A依次达标初始浓度、经脱色处理后的浓度、初始吸光度及脱色以后的吸光度。

2、结果及分析

2.1 表面改性及CdS负载

处理碳纳米管时采用化学氧化法进行，可把基（-COOH）、羰基（C=O）等多种官能团整合至碳纳米管表面。发现经酸处理后的纳米管的强吸收出现在波数3442cm^-1（-OH特征吸收峰）与1635cm^-1（C=O特征吸收峰）位置，伴随酸处理时间的延长，吸收强度也相应增加;酸持续处理8h以后的纳米管于1044cm^-1周边形成了一个新锋，对其形成原因分析后，发现与C=O键的振动之间存在一定相关性。和没有历经处理工序的碳纳米管相比较，酸化处理以后的碳纳米管含氧官能团明显增加。

未经酸化处理的CNTs也吸附了一定Cd²⁺，但吸附量偏低，隶属于物理吸附。经酸化处处理后的CNTs被整合至Cd（NO₃）₂：溶液内，CNTs表层含氧基团对Cd2+吸附过程能形成一定促进作用，表现出化学吸附的属性。历经2h的招濒吸附过程大体上能构建}及咐平衡模式，这也意味着CNTs表层吸附了大量Cd²⁺。滴加硫代乙酞胺后，其能对外缓缓释放出硫化氢气体，和Cd2**生化学反应产出CdS固体物。若Cd（NO₃）₂溶液浓度偏低，则溶液内游离的Cd²⁺数目偏少，其会转化为US颗粒分散于溶液内，诱导团聚现象的发生过程，或者以物理吸附形式汇聚于CNTs表层。但以上结合过程是机械化的，不会形成显著的电子转移情况。

2.2 CdS/CNTs的光催化特性

对图1CdS/CNTs的光催化性能折线图走势进行分析，发现光催化试验之间均已达到了避光吸附平衡状态。CdS/CNTs制取条件为0.1g的CNTs，与之相对应的是100ml0.006mol/L Cd（NO₃）₂溶液，50mg CNTs内CdS含量<30mg。图（c）下的降解效果显著优于图（a）、（b）。图（a）、（b）两种情况下的光催化效率基本无显著差异性，这提示CNTs自身不具有光催化作用，简单混合CdS、CNTs后，CdS的光催化效果也未有显著增强。这提示CNTs对CdS形成光催化效率，其自体特殊结构是影响催化效果的主要因素之一，CdS固体颗粒依附于CNTs表面生长，两者间有明确界限，能传导电子，进而降低光生空穴电子对的复合率，强化CdS的光催化活性。

CdS/CNTs的催化降解强化机制可结合图2作出分析。CdS/CNTs内纳米CdS固体颗粒和CNTs密切结合，且CNTs为电子的良导体，当纳米CdS颗粒能在可见光作用形成电子—空穴对时，一些电子经CdS晶粒内部拓展至晶界，随后扩展到CNTs基体，进而分离电子和空穴，而在样品（a）、（b）内，因均无电子受体，或和CNTs基体结合部紧凑，光激发形成的电子不能顺利拓展至CNTs基体，很多电子在逐渐扩散进程中重新和空穴复合，以致催化降解速率有所下降。

3、结束语

经浓硝酸处理后的碳纳米管对Cd2+能起到良好的吸附效果，加入硫代乙酞胺溶液后能在CNTs表层原位生成CdS纳米固体物，获得CdS/CNTs复合光催化剂。在可见光照射条件下，CdS/CNTs对甲基橙能起到良好的光催化降解作用。CdS/CNTs内的CdS对CNTs的催化效果优较明显的强化作用。