浸渍法在织物上制备二氧化钛光催化纳米材料的实验研究

吴清鑫 王泽伟 朱星宇 童 浩

（苏州市职业大学 电子信息工程学院，江苏 苏州 215104）

随着光催化技术的不断发展，其应用的范围也不断扩大，渗透到日常生活中的各个方面，例如，在空气净化、污水处理、自清洁、杀菌防腐、太阳能制氢等领域有着广泛的应用[1]。二氧化钛由于化学性能稳定、无毒、价廉、光催化性能好，是目前被研究最多、应用最为广泛的催化剂[2]。二氧化钛的光催化反应包含以下几个过程：光生电子-空穴对的产生；载流子迁移到颗粒表面并被捕获；自由载流子与被捕获的载流子的重新结合；界面间电荷转移，发生氧化还原反应[2]。

二氧化钛可以涂覆在各种各样的无机材料（如玻璃、瓷砖、不锈钢等）和有机材料（如氯乙烯、聚丙烯、纸等）上制备出不同应用的光催化涂层。目前，光催化技术也在智能穿戴领域中得到了广泛应用，例如，在织物上制备二氧化钛光催化材料，可起到自清洁、除菌除臭、防霉的作用，可以做成具有净化环境的光催化作用窗帘等。在织物制备二氧化钛的光催化涂层的方法有很多，可以分成两大类，分别是湿法工艺和干法工艺。湿法工艺主要工艺过程中有化学溶液参与，常用方法有溶胶-凝胶法[3-5]，水热法[6-9]等，湿法工艺不需要昂贵的仪器设备，但是制备的薄膜附着力需要进一步提高，并且需要高温烧结，限制其在织物上的应用。干法工艺指采用气相沉积方法，主要有真空热蒸发、溅射和化学气相法（CVD）等[1,2,10,11]，这些方法虽然可以在低温时在织物上制备催化性优良的二氧化钛纳米材料，但需要条件高，设备昂贵。如何寻找既不需要昂贵的仪器设备，又能在低温条件下在纺织物上制备二氧化钛催化材料的工艺，是目前急需解决的问题之一。

为了能够在织物上低温制备附着力好的二氧化钛催化材料，必须选用合适的黏合剂，通过筛选，选择乙基纤维素( ethylcellulose，EC) 作为黏合剂是非常合适的，主要理由[12-14]是：（1）乙基纤维素是一种热塑性、非离子型的纤维素烷基醚，呈白色或微黄色，涂覆在织物上不会改变织物的底色；（2）乙基纤维素的化学性能稳定，具有无味、无嗅、无毒、无致敏性、无刺激性，不会对皮肤造成伤害；（3）乙基纤维素是一种典型的纤维素醚，与纺织品纤维有着相似的结构，可通过氢键等作用与纺织纤维作用，填充在纺织纤维网状结构中，与纺织物结合特别牢固，并且能提高纺织物的机械性能；（4）乙基纤维素具有良好耐光性、耐酸碱性、耐盐性和耐水性，以及有较高的机械强度和有较好的抗热性、耐寒性能，可以在较大温度范围内有优良的弹性，特别是在低温下的弯曲性能极佳，涂覆乙基纤维素的织物耐磨，可以清洗。然后用松油醇作为高粘度溶剂，德国Degussa 公司生产的P25 二氧化钛粉末作为填充料，在亚麻织物浸渍在二氧化钛光催化电子浆料中，取出晾干后，在100℃温度下烧结。在紫外光照下分解罗丹明B 染料溶液来表征在亚麻织物上制备的二氧化钛纳米材料光催化性能；并对比分析超声清洗前后的光催化性能。

1 实验过程

本实验以松油醇和乙基纤维素作为有机粘合剂，采用纳米二氧化钛粉末作为光触媒，制备出光催化电子浆料，把亚麻织物浸渍其中，经烘烤后把纳米二氧化钛光触媒固化在亚麻纺织物上。在紫外线照射下，对罗丹明B染料溶液进行光催化降解来表征亚麻纺织物上纳米二氧化钛的光催化能力。具体如下：

1.1 样品的制备

1.1.1 亚麻纺织面料的准备：把亚麻布料剪成10cm*10cm 方形布料，放在丙酮溶液中超声30 分钟，去除面料中的有机污染物，然后在无水乙醇溶液中超声10分钟去除丙酮，最后晾干备用。

1.1.2 乙酸溶液稀释：采用默克集团Sigma-Aldrich公司AR 乙酸（CAS: 64-19-7）与去离子水按体积比1:100 配比，置于滴瓶中密封避光保存。

1.1.3 乙基纤维素黏合剂的配置：默克集团Sigma-Aldrich 公司乙基纤维素（CAS:9004-57-3），按照1 克加50 毫升无水乙醇比例，磁力搅拌30 分钟后，置于滴瓶中密封保存以备用。

1.1.4 P25 二氧化钛纳米晶粒胶质体的制备：用分析天平称出1g 德国Degussa 公司生产的P25 纳米二氧化钛粉末，在热板上烘干去除多余湿气；烘干后的P25 二氧化钛粉末放进研钵，用研杵把因贮存而产生团聚现象的TiO2粉末均匀的研磨开来。然后加入1ml 经稀释过的乙酸溶剂，研磨5 分钟，再加入数滴乙酸溶液防止二氧化钛粉末粒子之间相互聚集。然后加1 克默克集团Sigma-Aldrich 公司的松油醇作为高粘度溶剂，再继续研磨，直至混合物形成质感滑顺的胶质态浮物。把胶质态浮物加入配置好的乙基纤维素溶液，并磁力搅拌30 分钟后可获得粘稠状的胶质混合物。制备的P25 二氧化钛纳米胶质体如图1 所示。

图1 制备P25 二氧化钛纳米胶质体

1.1.5 二氧化钛光催化电子浆料的涂覆：采用浸渍法制备，先把清洗干净的亚麻布料在二氧化钛粉胶质混合物中浸泡1 分钟，取出晾干，让无水乙醇挥发，然后在通风柜中100℃热板加热烘干30 分钟。

1.2 样品的测试

把涂有二氧化钛光催化剂的亚麻布剪成5cm*5cm 方形布料，如图2 所示，放入光化学反应器中，浸泡在由去离子水配置而成的浓度为10mmol/L 罗丹明B 染料溶液中，配置好的罗丹明B 溶液（呈粉红色）。先静置2 个小时，让亚麻布对罗丹明B 染料溶液达到饱和吸附，然后采用365nm 的LED 光源，辐照度为5mW/cm2@365nm。反应温度恒定在27℃条件下进行光催化降解反应；反应过程中保持磁力搅拌，以便染料溶液浓度分布保持均匀；每隔半个小时从罗丹明B 染料溶液取出少许，用北京瑞利分析仪器公司的UV-1801 紫外/可见分光光度计测量染料的吸收光谱曲线，并取吸收曲线中的罗丹明B最大吸光度A，根据公式（A0-A）/A0*100%计算降解率，并对超声波清洗前后的降解率进行对比。求得的降解率如表1 所示。

图2 制备的5cm*5cm 亚麻布样品

表1 根据公式计算得到的清洗前后的降解率

2 实验结果与分析

图3 是不同的紫外灯光照时间后罗丹明B 染料溶液的吸收光谱曲线，从图3 可以看出，随着光照时间的增加，在550nm 附近最大吸光度A 不断下降，这说明随紫外光的照射，罗丹明B 染料溶液不断的降解而浓度不断下降，从而说明采用浸渍法在织物上制备的二氧化钛光催化纳米材料具备光催化性能。

图3 经不同时间光照后吸光度与波长的关系

图4 是涂有二氧化钛光催化剂的亚麻布超声波清洗前后的降解率对比图，从图中可以看出，经过超声波清洗10 分钟后，其最大吸光度有所下降，但下降不大，这说明以松油醇和乙基纤维素作为有机粘合剂，采用浸渍法在亚麻布料制备二氧化钛光催化纳米材料具有较好的附着力，具有可以清洗性。

图4 清洗前后降解率与时间的关系图

3 结论

以松油醇为高粘度溶剂、乙基纤维素为黏合剂，利用浸渍法在亚麻织物上制备纳米二氧化钛光催化材料，在紫外光照射下能够降解罗丹明B 染料溶液，具有光催化性能。实验过程中所用的松油醇、乙基纤维素等材料都是无毒、价廉易得、对环境友好无污染；制备过程不需要精密昂贵的仪器设备，制备工艺、方便，并且与织物的印染工艺相兼容，制备的纳米二氧化钛光催化材料与织物附着力好，并具备可清洗性。采用浸渍法不仅可以在织物上制备纳米二氧化钛光催化材料，也可以应用在玻璃、陶瓷等其他基底上，同时不仅可以制备纳米二氧化钛光催化材料，而且可制备其他纳米光催化材料，只要是纳米光催化粉末材料都可以采用这种工艺制备。采用这种工艺制备的光催化材料还存在一些问题需要进一步研究和解决，比如，降解率还需进一步提高，工艺还需优化等。