Ba_%281-x%29Cu_%28x%29TiO_%283%29纳米纤维的制备及压电催化性能.pdf

第43卷第4期2023年8 月DOI:10.16185/.2023.04.301Ba1-sCu.TiO：纳米纤维的制备及压电催化性能西安工业大学学报Journal of Xian Technological UniversityVol.43 No.4Aug.2023http:/张鹏，王欣，李智（西安工业大学光电工程学院，西安7 10 0 2 1）摘要：为提高BaTiO：纳米纤维的压电催化降解效率，采用两步水热法制备了不同组分的Bai-Cu,TiO：纳米纤维，研究了不同化学计量比对压电催化降解有机染料性能的影响和作用机理。通过超声振动激励后，组分为Bao.98Cuo.02TiO：的催化剂压电催化活性最高，对罗丹明B溶液的降解率为8 0.12%。与纯BaTiO：的催化剂压电催化活性相比,Bao.98Cuo.02TiO：将对罗丹明B溶液的降解率提升了47.92%,Cu掺杂有效的提升BaTiO：纳米纤维的压电催化性能。通过自由基捕获实验，证实了影响压电催化降解过程的活性基团为OH自由基、O2自由基。此外，还验证了Bal-rCu,TiO3纳米纤维作为催化剂的稳定性，普适性。关键词：钛酸钡；离子掺杂；压电催化；染料降解中图号：0 46 9文献标志码：APreparation and Piezoelectric Catalytic Properties ofBai-Cux TiO:NanofibersZHANG Peng,WANG Xin,LI Zhi(School of Opto-Electronical Engineering,Xian Technological University,Xian,710021,China)Abstract:The study aims to improve the piezoelectric catalytic degradation efficiency of BaTiO3nanofibers.Bai-Cu,TiOs nanofibers with different components were prepared by the two-stephydrothermal method,and the effects of stoichiometric ratios on its catalytic degradation of organic dyeswere studied.Bao.9s Cuo.02 TiO:catalyst had the highest piezoelectric activity after being ultrasonicallyexcited,with the degradation rate of Rhodamine B solution being 80.12%.Compared with pure BaTiO;catalyst,Bao.98 Cuo.02 TiO,increased the degradation rate of Rhodamine B solution by 47.92%,showingthat the piezoelectric catalytic performance of BaTiOs nanofibers was effectively improved through Cudoping.The free radical trapping experiments were conducted to confirm that OH radical and O2radical were the active groups which affected the piezoelectric catalytic degradation.In addition,thestability and universality of Bai-Cu,TiO,nanofibers as catalysts were also verified.文章编号：16 7 3-996 5(2 0 2 3)0 4-0 353-0 9*收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 9基金资助：国家自然科学基金青年基金项目（518 0 2 2 46）。第一作者简介：张鹏（1995一），男，西安工业大学硕士研究生。通信作者简介：王欣（198 6 一），女，西安工业大学副教授，主要研究方向光电功能材料与器件，E-mail：w a n g x 518 16 3.c o m。引文格式：张鹏，王欣，李智.Ba1-Cu,TiO：纳米纤维的制备及压电催化性能J.西安工业大学学报，2 0 2 3，43（4）：353-36 1.ZHANG Peng,WANG Xin,LI Zhi.Preparation and Piezoelectric Catalytic Properties of Bal-Cu,TiOs NanofibersEJJ.Jour-nal of Xian Technological University,2023,43(4):353-361.354Key words:Barium titanate;ion doping;piezoelectric catalysis;dye degradation工业化和城市化是现代文明的重要组成部分，但它们也对自然环境构成了挑战。工业生产的过程中总是伴随着大量有机污染物的排放，对人类的健康和生活环境造成了极大的危害1-3。因此，有机污染物的降解和处理已成为科学家们致力于解决的一大热点问题。有机污染物的分子结构复杂多变，与一些简单的分子污染物相比，难以分解。在声化学分解、电化学、絮凝等各种有机污染物降解方法中，光催化因其节能、高效、环保效果好等优点已成为研究热点5-7。光催化技术在实际应用时仍存在诸如太阳能利用率低、光生载流子分离率低等实际问题，因此一种新的催化技术的出现就显得尤为迫切。压电催化是一种新的催化降解技术，这种技术利用了压电材料特有的极化现象，可以在机械应力（如搅拌或超声波振动）作用下产生极化电场，驱动自由电子和空穴迁移到材料表面，触发氧化还原反应生成活性基团，从而实现催化效果。与传统的光催化相比，压电催化对溶液的透过率依赖小，甚至可用于无光或弱光条件，有效解决了可见光利用率低的问题，被认为是缓解当前能源短缺和环境危机的一种很有前途的技术。而且基于压电效应的机电能转换效率可达到7 8%，远高于光伏能量转换效率的2 0%8 。基于这一思路，国内外的研究者开展了一系列压电催化的研究工作，其中研究较多的压电材料包括BaTiO（BT O)9-11、Zn O L12-141、PbZrxTi-O(PZT)1,MoS,16-181 和 PVDF19 等。在这些材料中，钛酸钡（BaTiO)因其优异的压电性能而备受关注。BaTiO：是一种强介电材料，主要用于电子陶瓷、PTC热敏电阻、电容器等多种电子元器件的配制以及一些复合材料的增强2 0 。BaTiO：在压电催化降解有机污染物方面具有催化活性高、化学稳定性好、可重复利用性高、环境友好和成本低等优点，是一种良好的压电催化材料。文献2 1 认为纯BaTiO，纳米纤维对罗丹明B(RhB)染料的降解率为48%，而负载2 wt%Ag贵金属的BaTiO：纳米纤维对RhB染料的降解率可增加到92%，该方法虽然能够有效提高催化降解率，但贵金属原料的成本太高不易推广。文献2 2 提出通过简单的溶胶-沉淀法合成了Sro.3Bao.7TiO（SBT-0.3)纳米催化剂，通过调整PVP表面活性剂的用西安工业大学学报量可以显著提高催化剂对RhB溶液的催化降解。该制备方法工艺流程比较复杂，且容易有杂质出现。文献2 3 制备了Bai-SrTiO：（BST)纳米线，在甲基橙(MO)溶液的降解过程中比BaTiO3纳米线和BST纳米颗粒的压电催化性能更好。文献24研究了（Bao.85Cao.15）（T i o.9Zr o.1)O：纳米线在150min超声振动后，对MO溶液的降解效率为65%。为进一步提升BaTiO：的催化降解效率，通过工艺参数可调节、经济成本不高的水热法将导电性更好的Cu离子掺杂BaTiO：中探究降解情况。文献2 5 制备了BaTiO/g-CN4复合材料。通过对于罗丹明B染料在振动下的分解效果，发现复合材料具有8 2%的振动催化活性，而纯BaTiO：为57%。与纯BaTiO：和 g-CN4 相比,BaTiOs/g-C3N4的异质结复合材料对RhB具有更强的压电催化活性。复合异质结的催化活性增强可归因于g-C.N4和BaTiO：的异质结能够有效的促进载流子的迁移，进而导致电子-空穴对的有效分离，但异质结的最优比例不易确定。这些研究结果无不表明压电催化技术在废水处理中的巨大应用潜能。综合上述分析，文中选择了以BaTiO：为基体,在BaTiO；的A位上掺杂Cu元素，并对其结构和压电催化性能进行了表征。采用两步水热法合成了不同化学计量比的Ba1-Cu,TiO：（=0，0.0 l，0.02,0.03，0.0 4)纳米纤维，形成了新的BaTiO3基纳米催化材料。研究了Bai-rCu,TiO纳米纤维对于RhB溶液的压电催化降解作用，结果表明,Bali-sCu,TiO:（=0.0 2)纳米纤维具有最优异的压电催化性能。此外通过Bai-,Cu,TiO纳米纤维对不同有机染料的催化降解和循环性实验，研究了Bai-rCu,TiO纳米纤维作为催化剂的普适性和稳定性。1实验原料及方法1.1实验药品与仪器研究中使用的所有化学品和试剂均为分析级，无需进一步净化，包括二氧化钛（TiO2，99%阿拉丁）、氢氧化钠（NaOH，96%国药）、氢氧化钡（Ba(OH)8H,O,98%西陇科学）、氯化铜（CuCl2H,O,99%国药）、盐酸（HCl、99%国药）。实验用水均为超纯水，使用过程中均未进行任何处理。X射线衍射仪(X-Ray Diffractometer,XRD)第43卷第4期（型号：布鲁克D2PHASERGen2）：扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopc,SEM)（型号：Merlin Compact,Zeiss,Oberkochen,Germany):紫外可见分光光度计（AUV-visiblespectrophotom-eter,UV-vis)（型号:UV3150,Shimadzu Corpora-tion,Kyoto,Japan)。1.2Bai-Cu,TiO：纳米纤维的制备Bai-rCu,TiO3(=0,0.01,0.02,0.03,0.04)纳米纤维通过两步水热法合成。第一步将0.8 5g的TiOz加入到10 M的NaOH溶液(50 mL)中磁力搅拌2 h，将得到的混合溶液倒人聚四氟乙烯水热反应釜中并置于2 0 0 的烘箱中30 h。待冷却后将所得到的Na2Ti:Oz纳米纤维用去离子水冲洗数次后，将其浸人0.2 M的HCl水溶液中8 h，将所得产物用去离子水洗涤数次直到pH约等于7在8 0 的烘箱里干燥12 h,得到H2TisO，纳米纤维。第二步，将不同摩尔比的Ba（O H)2 8H,O、H,T is O，和CuCl2H,O分别加人到6 0mL的去离子水中常温下磁力搅拌2 h，将所得到的的溶液倒人聚四氟乙烯水热反应釜中并置于220的烘箱中12 0 min后，用去离子水、酒精、0.1M的HCl洗涤数次并离心收集产物。最后，在70的烘箱中干燥12 h得到Bai-Cu.TiO（=0,0.01,0.02,0.03,0.04)纳米纤维。1.3Bal-Cu,TiO纳米纤维的压电催化性能测试配制浓度为5mgL-1的RhB溶液作为目标污染物，评估制备的Bal-Cu,TiOs（=0，0.0 l，0.02,0.03,0.04)纳米纤维的压电催化降解活性。首先制备处于吸附-脱吸平衡状态的悬浮液，即在暗环境下将40 mg不同组分的Bai-Cu,TiO:（=0,0.01,0.02,0.03,0.04)纳米纤维催化剂分别加人到40