一恒分享静电纺丝法制备的过程

1 引言

自 Fujishima 等( 1972) 在 1972 年发现 TiO2在紫 外光辐照下将水分解成氢气和氧气以来，光催化氧化技术以高效、节能和绿色的特点引起研究学者的 关注，如金属氧化物 ( TiO2、Bi2 O3、ZnO、In2O3 等) ( Bharatvaja et al．， 2018; He et al．， 2018; Phuruangrata et al．，2019; Nefzi et al．，2019) 、三元金属盐( 钛酸盐、铟酸盐、磷酸盐及钨酸盐) ( Dali et al．，1998; Zhang et al．，2016; Naciri et al．，2018; Zhang et al．，2019) 等一系列的光催化剂被研发报 道．CaIn2O4 的 禁带 宽 度 约 为 4． 0 eV ( Dali et al．， 1998) ，属于宽禁带半导体材料，较大的禁带宽度限 制了对太阳光( 紫外光仅占 4%) 的利用率，如何提 高其对太阳光的利用率成为亟待解决的问题．

2 实验部分

2．1 CaIn2O4-In2O3 纳米带的合成

在 16 mL 无水乙醇中加入 4．6 g PVP-K30，密封 磁力搅拌 3 h 后，得到透明溶液 M; 将 0． 015 mol Ca( NO3 ) 2、0． 03 mol In ( NO3 ) 3、13 mL 溶液 A 和0．4 mL去离子水加入到 50 mL 磨口锥形瓶中，室温 密闭 磁 力 搅 拌 4 h，得到无色透明的 In ( NO3 ) 3 / PVP /Ca( NO3 ) 2纺丝液． 静电纺丝装置有可调高压电源、蠕动泵和铝箔 接收设施组成．整个纺丝过程在室温下进行．纺丝针 头的内径为 0．5 mm 且针头与水平面呈 30°夹角．纺 丝速度为 3．0 mL·h－1 、纺丝电压为 25 kV 及泰勒锥 尖端到铝箔的距离为 18 cm．纺丝结束后，将铝箔与 纤维毡置于真空干燥箱（  上海一恒BPZ-6213LC  立式真空干燥箱）内 60 ℃过夜干燥．用镊子将 纤维毡与铝箔分离，纤维毡置于石英方舟内，经箱 式马弗炉 2 ℃·min－1 升温至 700 ℃ 煅烧 1 h．自然冷 却后，得到 CaIn2O4-In2O3 纳米带． 

2．2 CaIn2O4-In2O3 纳米带的表征

采用日本岛津公司 XＲD-6100 型射线衍射仪对 样品的物相进行分析，Cu Kα 靶，工作电压和电流为 40 kV 和 15 mA，扫描速度为 10 °·min－1 ; 采用捷克泰 斯肯公司 VEGA3 和 LYＲA3 扫描电子显微镜观测样 品的微观结构及晶粒形貌，加速电压为 20 kV; 采用 日本 JEOL 公司 JEM-1011 型透射电子显微镜观测 样品的微观形貌; 采用英国牛津公司 X 射线能谱仪 对样品的组成元素进行分析，工作电压为 20 kV; 采 用北京普析通用仪器有限公司 TU-1901 型双光束紫 外可见漫反射分光光度仪( 装配积分球) 测定样品 的漫反射光谱; 采用北京精微高博仪器有限公司 JK-BK122W 型静态氮吸附仪测定样品的 N2吸附-脱 附等温线，并通过 BET 方法计算样品的比表面积及 孔径分布; 利用美国贝克曼库尔特 Delsa Nano C 粒 度仪对样品的宽度分布及 Zeta 电位进行分析．

2．3 CaIn2O4-In2O3 纳米带的光催化性能评价

采用自制的光催化反应器进行光催化试验．光 催化反应器由光源( 氙灯，150 W) 、石英试管( 距离 光源 10 cm) 、冷阱、通气管等构成．向装有 50 mL MB ( 10 mg·L－1 ) 溶液的石英反应管中投加 0．1 g 光催化 剂，在 无 光 条 件 下，通 气 0． 5 h，供 气 速 率 为 0． 8 L·min－1 ，使染料分子在催化剂表面达到吸附-脱附 平衡．然后开启光源，每隔 30 min 吸取 3．5 mL 悬浮 液，离心提取上清液，采用分光光度计测试上清液 的吸光度( 664 nm) ，并根据吸光度变化进行光催化 性能评价．

2．4 ·OH的检测

向装有 50 mL 对苯二甲酸溶液 ( TA 的浓度为 2 mmol·L－1 ，NaOH 浓度为 8 mmol·L－1 ) 的石英反应管 中投加 0．1 g CaIn2O4-In2O3 纳米带．将石英管置于自制的光催化反应器中，光源为 150 W 氙灯．在无光条 件下，通气 0．5 h．然后，开启光源，每隔 30 min 取 3．5 mL 悬浮液，离心提取上清液，采用日本岛津公司 ＲF-5301 PC 型荧光分光光度计( 激发波长 315 nm， 发射波长 425 nm) 测定 2-羟基对苯二甲酸( TAOH) 的荧光光谱．

3 结果与讨论

为了考察合成样品的晶型结构，采用 XＲD-6100 型射线衍射仪对样品物相进行测试( 图 1) ．由图可 知，两者在 18． 20°、18． 35°、24． 23°、31． 66°、31． 99°、 33． 40°、37． 98°、40． 58°、43． 64°、47． 09°、47． 70°、 56．55°、57．91°、67．14°的衍射峰与其对应的( 120) 、 ( 200 ) 、( 220 ) 、( 040 ) 、( 320 ) 、( 121 ) 、( 131 ) 、 ( 420) 、( 141) 、( 401) 、( 510) 、( 360) 、( 170) 、( 621) 晶面与正交晶系结构 CaIn2O4 的标准卡片( 戈磊等， 2009) ( PDF No． 17-0643) 基本一致．同时，在 2θ 为 21．49°、30．58°、35．46°、51．03°和 60．67°处出现较强 的衍射峰，与 In2O3 标准卡片 PDF No．06-0416 的特 征衍射峰一致( Khan et al．，2012) ，为立方晶系结构 的 In2O3 ．这说明制备样品中含有正交晶系结构的 CaIn2O4 和立方晶系结构的 In2O3 ．且使用前后样品 的衍射峰未出现新的衍射峰或原有衍射峰消失的 现象，这表明 CaIn2O4-In2O3 纳米带可循环使用且稳 定 性 良 好． 采 用ＲIＲ方 法( Daliet al ． ，1 9 9 8 ; Zhouet al．，2018) 计算样品中 In2O3 的相对质量分数，计 算公式为: CaIn2O4 = ( ICaIn2O4 /( IIn2O3 +ICaIn2O4 × 1 /k) ) × 100%，其中，ICaIn2O4 和 IIn2O3 是 CaIn2O4 和 In2O3 强度为 100%的峰值，k 是 CaIn2O4 与 In2O3 的 ＲIＲ 值的比值．计算得样品中 In2O3 的相对质量 分数约为 48．5%．

4 结论

1) 采用静电纺丝法成功制备了 CaIn2O4-In2O3 纳米带，其宽度约为( 663±75) nm、禁带宽度为 2．88 eV 和比表面积为 19．2 m·2 g－1 ．纳米带由纳米颗粒组 成，且纳米颗粒之间有一定的孔隙．
2) 模拟太阳光照射 120 min，CaIn2O4-In2O3 纳 米带对 MB 的降解率为 76%，光催化反应属于一级 动力学模型，其反应速率常数和半衰期分别为1．19× 10－2 mg·L－ ·1 min－1 和 58．2 min．
3) CaIn2O4-In2O3 纳米带具有良好的循环使用 稳定，循环使用 5 次，对 MB 的降解率保持在 65%以上．



 

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