多壁碳纳米管负载tio2复合器件可见光光催化降解rhb - 分子催化.doc

多壁碳纳米管负载TiO2复合器件可见光光催化降解RhB，尚静*，赵凤伟，李静，何松洁 （北京大学环境科学与工程学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京，100871） 摘要：采用溶胶-凝胶法制备了多壁碳纳米管(MWCNTs)负载的ITO/MWCNTs-TiO2/ITO复合器件，利用SEM、XPS、UV-Vis光谱等技术对复合样品进行形貌和结构表征，以液相罗丹明B（RhB）的可见光光催化降解为探针反应，评价MWCNTsTiO2复合薄膜的催化活性。XPS结果表明MWCNTs与TiO2之间没有形成Ti-C键。I-V特性表明负载了MWCNTs ITO/MWCNTs-TiO2/ITO复合器件的光电流增强。与空白TiO2薄膜相比，MWCNTsTiO2复合薄膜的可见光光催化降解RhB的速率提高了3.2倍。MWCNTs并没有掺杂到TiO2晶格中，而是起到了类似光敏剂的作用，可在可见光激发下将导带电子转移到TiO2导带上，经一系列反应降解RhB有机物。 关键词二氧化钛多壁碳纳米管可见光光催化罗丹明B 前言 自上世纪70年代人们发现TiO2光解水技术以来，因TiO2具有高效、价廉、无毒、性质稳定等优点，TiO2光催化技术在光解水、杀菌、净化、气敏和太阳能电池等领域得到了广泛的应用[1-]。但是由于TiO2的带隙较宽，只能吸收波长小于380nm的紫外光[6]，而紫外光只占太阳光能量的5%，因此如何改善这一不足，寻找一种合适的方法扩宽TiO2光响应范围、提高太阳能利用效率是当今该领域的研究重点。碳纳米管（CNTs）是一种具有规则管网结构的先进材料。电子的量子限域效应使CNTs具有独特的电学性质，以及良好的导电性、化学稳定性和吸光性[,12]，使得其成为电子或空穴传递的多功能纳米材料。同时CNTs的比表面积大、吸附能力强，可以作为载体为化学反应的进行提供重要的场所[]。基于CNTs优异的结构和性质，将其作为掺杂剂负载在TiO2基催化剂上从而提高光催化效率，引起了广泛的关注。Wang[,15]等采用改进的溶胶-凝胶法制备MWCNTsTiO2复合粉体光催化剂，在紫外光和可见光条件下降解苯酚，研究结果表明，MWCNTs提供较大的比表面积，可能具有光敏剂的作用，从而有效促进了苯酚的降解；在MWCNTs和TiO2的质量比为20%时，紫外及可见光降解苯酚的活性最佳。An[]等采用异丙醇钛在超临界乙醇中水解的方法制备出MWCNTsTiO2复合粉体催化剂，在可见光下光催化降解苯酚，效率远高于MWCNTs和TiO2的混合物。Chen[1]等利用MWCNTsTiO2复合粉体在紫外光下光催化降解亚甲基蓝，研究中认为其高活性不仅是因为MWCNTs的吸附作用和TiO2的光催化作用，而且还跟MWCNTs与TiO2之间的电子传递有关。但是，目前对CNTTiO2复合光催化剂的研究，多数为粉体悬浮体系，而CNT/TiO2复合薄膜的光催化体系研究则较少。Akhavan[1]等采用CNT/TiO2复合薄膜在可见光条件下杀灭大肠杆菌，负载有20 wt% CNT的CNTTiO2复合薄膜杀菌能力最强，且CNT的负载量从0增至40 wt%时，复合薄膜的带隙能从3.2-3.3 eV降至2.8 eV。 本研究小组构建了一种具有两个对称条形电极的全固态平面型光电催化器件ITO/TiO2/ITO [1,20]，器件上的两个条形电极可分别作为阳极和阴极，可独立进行光电测试。本文将上述平面器件与MWCNTs相结合制ITO/MWCNTs-TiO2/ITO复合器件，考察其在可见光下光催化降解RhB的性能。通过对器件的I-V曲线测试可检测器件的光电流响应，为探讨光催化反应机理提供佐证。 1 实验 1.1 ITO/MWCNTs-TiO2/ITO器件的制备 采用溶胶凝胶法制备。于100mL小烧杯中加入40mL无水乙醇，在搅拌状态下依次滴加4mL钛酸四丁酯和0.65mL二乙醇胺，超声30min得到淡黄色透明溶液A；配制96%的无水乙醇溶液20mL（0.8mL水+19.2mL无水乙醇），记为溶液B；在搅拌状态下将A溶液滴加到B溶液中，滴加结束后，超声10min，继续搅拌12h以上得到TiO2溶胶，继而静置陈化48h。 将ITO）玻璃经过刻蚀、清洗和烘干得到具有两个对称条形电极的ITO基底，条形电极间的距离即刻蚀宽度为5mm[]。ITO为基底，2.2 cm/min速度匀速提拉TiO2溶胶然后放入烘箱中90℃烘10min，取出放至室温。然后再重复此操作提拉四次（本实验组的前期工作得出提拉四层的薄膜活性最好）[]，最后一次在90℃烘30min最后空气气氛中480℃焙烧1h，自然冷却至室温，得到ITO/TiO2/ITO空白器件。 MWCNTs（外径10-20nm，长度5-15(m，纯度98%，比表面积180-190m2/