ZnO纳米纤维的静电纺丝及其光催化性能的研究
PVA_浓度对电纺制备ZnO_纳米纤维吸波性能的影响
PVA 浓度对电纺制备ZnO 纳米纤维吸波性能的影响陈 丹*, 周影影, 王 璠, 王泽华, 杨纪龙（西安航空学院 材料工程学院, 西安 710077）摘要：采用静电纺丝法制备ZnO 纳米纤维，研究聚乙烯醇（PVA ）浓度对ZnO 纳米纤维微观形貌、介电性能和吸波性能的影响规律。
结果表明：随着PVA 浓度从6%增至10%，ZnO 纳米纤维直径变细，但珠结增加，粗细不均。
当PVA 浓度为8%时，ZnO 纳米纤维直径较细、粗细均匀、表面光滑、珠结较少，形貌最好。
此时，其介电常数达到最高值，实部为15.4～20.8，虚部为3.6～4.7，并在较薄的厚度下具有最优的吸波性能。
当70%（质量分数/%，下同）ZnO 纳米纤维/石蜡样品的厚度为1.3 mm 时，反射率低于–5 dB 的吸收带宽达到5.4 GHz （12.6～18 GHz ），最小反射率为–16.6 dB 。
此外，石蜡含量也对样品的介电性能和吸波性能具有重要影响，随着石蜡含量的增加，样品的介电常数降低，当石蜡含量为30%和20%时，样品具有较好的吸波性能。
关键词：静电纺丝；ZnO 纳米纤维；介电性能；吸波性能doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2021.000103中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2022)01-0092-08随着电子技术的蓬勃发展，各种通讯设备使用频繁，产生的电磁辐射对自然环境和人类身体均造成了损害。
此外，在军事领域，隐身技术的不断发展也促使了吸波材料必须向“宽、强、轻、薄”方面发展。
因此，研究新型吸波材料对于解决电磁污染问题和提高武器隐身性能至关重要。
纳米材料由于其独特的形貌结构以及特异的物理化学性能，已成为当代科学领域最具价值、最前沿的一类材料[1]。
同时，ZnO 作为一种典型的n 型宽带隙（E g =3.37 eV ）六方纤锌矿结构半导体[2]，具有质量轻、密度低、介电常数大、介电损耗高和易于大规模制备的特性[3-5]。
ZnO微／纳米纤维的静电纺丝及其表征
（． １ 北京服装学院材料工程学院 ， 北京 １ ０９ ２ ０ ２ ； ．北京市服装材料研究开发 与评 价重点 实验室 ， ０ 北京 １０２ ） ００９
摘 要 ： 以聚乙烯吡咯烷酬（Ｖ ） Ｐ Ｐ 为络合剂与醋酸锌 ［ ｎＣ ３ｏ ） ］ Ｚ （ Ｈ ｃ ｏ ２ 反应制得前驱体溶液， 用静电纺丝
（Ｖ ） Ｐ Ａ 为络合剂 ， 为溶 剂， 水 用静 电纺丝法制备 Ｐ Ａ Ｚ （ Ｈ Ｃ ０） 维 ， 过 不 同温度 下煅 烧 ， Ｖ ／ ｎ Ｃ Ｏ 纤 通
获得 了 Ｚ Ｏ纳米纤 维 。 ｎ
Байду номын сангаас
作者以聚乙烯吡咯烷酮 （ Ｖ ） Ｐ Ｐ 为基体 ， 无水
乙醇作为溶剂 ， 通过溶胶一 凝胶法和静电纺丝法制 备了具有微孔结构 的 ＺＯ微／ ｎ 纳米 纤维 ， 并对 其 进行 了表征。无水 乙醇作 为溶剂 ， 在纺丝过程中
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第２ ９卷 第 ６期
２０ ０ ６年 ｌ ２月
合
成
纤
维
工
业
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ ６ １２ ．
Ｄｅ ． ２ ０ ｃ Ｏ６
ＣＨＩ ＮＡ ＹＮＴ ＴＩ Ｆ ＢＥ Ｉ Ｓ ＨＥ Ｃ Ｉ Ｒ ＮＤＵ ＴＲＹ Ｓ
Ｚ Ｏ 微／ 米 纤维 的静 电纺 丝及 其表 征 ｎ 纳
６６ Ｌ ３０ Ｖ型扫描电子显微镜对制备 的纤维进行形
貌观察 。
１２ Ｖ ／Ｚ （ Ｈ Ｃ Ｏ） 纤维的制备 ． Ｐ Ｐ ｎ Ｃ Ｏ ２ 称取 ４ｇ Ｖ Ｐ溶解于 １ Ｌ无水 乙醇中， Ｐ ５ｍ 室
温下 搅 拌 至 溶 解 成 均 一 溶 液 ； ０ ３ ｇ Ｚ 将 。 ｎ
法制备 了 Ｐ Ｐ ｚ （ Ｈ ｃ ｏ ２ Ｖ ／ ｎ ｃ ， ｏ ） 纤维 ， 经煅烧得到具有微孔结构的氧化锌（ ｎ 微／ ｚ Ｏ） 纳米纤维。对所制备纤维
静电纺丝制备p型氧化锌和钛酸钡微纳米纤维及性质研究
密级： 学校代码：11065
硕士学位论文
静电纺丝制备 P 型氧化锌和钛酸钡微纳米纤维及性质研究 盛琛皓
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
指导教师 学科专业名称 论文答辩日期
龙云泽 教授 物理学 2015 年 6 月 11 日
摘要
纳米纤维是一维纳米材料的典型代表，具有超大的比表面积、独特的物理化 学特性而受到人们关注，纳米纤维可被用于能源、催化、纳米电子器件、环保过 滤、纺织工程、环境空气治理等方面。制备纳米纤维的技术有很多种，其中静电 纺丝技术以其装备简单、成本低廉、高效便捷、制备纳米纤维种类多受到人们关 注，而被广泛应用。
In addition, we also used the method of electrostatic spinning preparation perovskite nanofibers, used for the preparation of solar cells. In recent years, the solar cell with perovskite structure has attracted more attentions and gets a rapid development. Perovskite layer plays an important role in the novel solar battery. The electrospun perovskite fiber membrane is employed to replace the troditional perovdkite layer, which is of important significance to increase the efficiency of the solar cell and promote the development of the battery.
纳米ZnO薄膜的制备及其光催化性能
纳 米 Ｚ Ｏ薄膜 的 制备 及其 光 催化 性 能 ｎ
郑 磊 ， 鲁道 荣 ， 长 萍 ， 素 贞 黄 吴
（ 肥 工 业 大学 化学 工 程 学 院 ， 肥 ２ ０ ０ ） 合 合 ３ ０ ９
摘 要 ： 用溶 胶 一 胶 法制 备 纳 米 Ｚ Ｏ， Ｘ射 线 衍射 仪 和透 射 电镜 表 征 纳 米 Ｚ Ｏ 的 结 构 和 形 貌 ， 成 薄膜 研 究其 光催 化 采 凝 ｎ 用 ｎ 制
马 弗 炉 中焙 烧 适 量 时 间 ， 得 到 纳 米 氧 化 锌 粉 体 。 即 所用试剂 均为 分析纯 。 １ ２ 纳 米 Ｚ Ｏ 薄 膜 制 备 ． ｎ
物
。纳米 Ｚ Ｏ在 日光 照 射 下 ， 其 在 紫外 光 照 ｎ 尤
射下 ， 能产 生 自由移 动 的带 负 电的 电子 和带 正 电的 空穴 ， 这种 空穴 可 以激 活空气 中 的氧变为 活性氧 ， 并
第６ ３卷
第 ２期
有 色
金 属
Ｖｏ． ３，Ｎ ． １６ ｏ２
Ｍａ ２ ０ １１ ｙ
２ ｌ ０ １ 年 ５ 月
Ｎｏ ｆｒｏ ｓ Ｍ ｅａ ｓ ｎｅｒｕ ｔｌ
ＤＯＩ １ ． ９ ９ ｊ ｉ ｎ １ ０ ：０ ３ ６ ／ ．ｓ ． ０ １—０ １ ． ０ １ ０ ． ２ ｓ ２ １２ １ ．２ ０ ４
算 其 降解 率 叼 ： ＝ （ 。一Ｃ） Ｃ ］×１ ０ ， 中 叼：［ ｃ ／。 ０％ 式 ｃ 为苯 酚溶 液 的初 始浓 度 ， ｃ为 降 解 后 的 苯 酚溶 液
浓 度
２ 试 验 结 果 与 讨 论
２ １ 焙 烧 温 度 对 Ｚｎ 结 构 的 影 响 ． Ｏ
对 不 同 焙 烧 温 度 下 的 Ｚ Ｏ 粉 体 进 行 Ｘ Ｄ测 ｎ Ｒ 试 ， 果 见 图 １ 由图 １可知 ， 烧温 度 分别 为 ４ ０ 结 。 焙 ５， ５ ０ ６ ０和 ７ ０ ５ ，５ ０ ％时 ， 各பைடு நூலகம் 品的衍 射 图 中均 出现 Ｚ Ｏ ｎ 的典 型 特征 衍射 峰 ， 面指 数 分 别为 （ ０ ） （０ ） 晶 １ ０ ，０ ２ ，
静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景
静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景一、本文概述本文旨在深入探讨静电纺丝纳米纤维的工艺原理、现状及应用前景。
我们将详细阐述静电纺丝技术的基本原理，包括其工作原理、操作步骤以及关键影响因素。
接着，我们将概述当前静电纺丝纳米纤维的研究现状，包括纳米纤维的制备技术、性能调控以及应用领域等方面的最新进展。
我们将展望静电纺丝纳米纤维的未来应用前景，分析其在各个领域中的潜在应用价值以及可能面临的挑战。
通过本文的综述，我们希望能够为相关领域的研究人员提供关于静电纺丝纳米纤维的全面了解，并为未来的研究提供有益的参考和启示。
我们也期望能够引起更多研究者对静电纺丝纳米纤维技术的关注，共同推动其在各个领域的广泛应用和发展。
二、静电纺丝纳米纤维的工艺原理静电纺丝是一种利用静电场力将高分子溶液或熔体拉伸成纳米级纤维的技术。
其工艺原理主要涉及到电场力、表面张力和高分子链的缠结作用。
在静电纺丝过程中，高分子溶液或熔体被置于一个强静电场中。
当电场强度足够大时，液体表面电荷密度增加，形成泰勒锥。
随着电荷的不断积累，电场力克服表面张力，使得泰勒锥的尖端形成射流。
射流在电场力的作用下被迅速拉伸，同时溶剂挥发或熔体冷却固化，最终形成纳米级纤维。
在这个过程中，高分子链的缠结作用也起到了关键作用。
高分子链之间的缠结使得纤维在拉伸过程中保持一定的结构稳定性，防止纤维断裂。
缠结作用还有助于纤维在接收装置上的沉积和收集。
静电纺丝技术具有操作简便、纤维直径可控、可制备多种材料等优点，因此在纳米材料制备、生物医用、环境保护等领域具有广泛的应用前景。
通过深入研究静电纺丝纳米纤维的工艺原理，可以进一步优化纺丝过程，提高纤维的性能和产量，为相关领域的科技进步做出贡献。
三、静电纺丝纳米纤维的现状静电纺丝技术自其诞生以来，在纳米纤维制备领域已经取得了显著的进展，并逐渐发展成为一种高效、可控的纳米纤维生产方法。
目前，静电纺丝纳米纤维的研究与应用已经涉及到了众多领域，如环境保护、生物医疗、能源科技、纺织工程等。
静电纺丝制备聚合物纳米纤维膜的研究
静电纺丝制备聚合物纳米纤维膜的研究纳米科技的发展引发了对纳米材料的广泛关注。
纳米纤维膜由于其良好的性能被广泛用于燃料电池和生物医学等领域。
静电纺丝技术作为一种独特的制备纳米纤维膜的方法，凭借其简单易操作、成本低廉的优点，被广泛应用于纳米材料的制备中。
本文将介绍静电纺丝技术和静电纺丝制备聚合物纳米纤维膜的研究进展。
一、静电纺丝技术静电纺丝是一种利用电场将高分子聚合物纺成纳米级高分子纤维的工艺。
该工艺分为溶液静电纺丝和熔融静电纺丝两种类型。
溶液静电纺丝主要是将溶解在有机溶剂中的聚合物通过静电纺丝装置进行喷枪淋浆、电荷均匀化和纤维拉伸加工，形成纳米级的高分子纤维。
熔融静电纺丝则是将熔融的高分子材料通过静电纺丝装置进行电荷均匀化和纤维拉伸加工，形成纳米级高分子纤维。
二、静电纺丝制备聚合物纳米纤维膜的研究进展随着纳米科技的发展，静电纺丝制备聚合物纳米纤维膜在材料科学、生物医学等领域得到了广泛应用。
下面将介绍四个方面的静电纺丝制备聚合物纳米纤维膜的研究进展。
1. 聚合物材料的选择聚合物材料的选择是静电纺丝制备聚合物纳米纤维膜的关键。
通常选择的聚合物材料包括聚乳酸、聚酯、聚丙烯酸、聚苯乙烯等。
这些聚合物材料有良好的可纺性、生物相容性和耐久性，并能够制备出高质量的聚合物纳米纤维膜。
2. 溶液电导率的控制溶液电导率是影响聚合物纳米纤维膜形态的主要因素之一。
电导率的增加会导致电荷的不均匀分布和纤维的跳跃现象。
因此，控制溶液电导率是制备高质量聚合物纳米纤维膜的重要手段之一。
3. 后处理技术静电纺丝制备的聚合物纳米纤维膜具有良好的形态和性能，但由于其表面积大和纳米级孔隙率高，会导致纤维膜对周围环境的敏感性增加。
为了改善聚合物纳米纤维膜的稳定性和使用寿命，需要对其进行后处理。
目前常用的后处理技术包括等离子体处理、UV辐射、热处理等。
4. 应用领域静电纺丝制备的聚合物纳米纤维膜在能源领域、生物医学领域和环境领域等方面得到了广泛应用。
静电纺丝法实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 熟悉静电纺丝法的原理和操作步骤。
2. 掌握利用静电纺丝法制备纳米纤维的方法。
3. 分析不同参数对纳米纤维形态和性能的影响。
二、实验原理静电纺丝法是一种常用的制备纳米纤维的技术，利用高压电场使高分子溶液或熔体在喷丝头处形成细小的液滴，液滴在电场力、表面张力以及惯性力的共同作用下，拉伸形成纳米纤维。
通过控制实验参数，可以制备出具有不同直径、形态和性能的纳米纤维。
三、实验材料与设备材料：1. 聚乙烯醇（PVA）粉末2. 乙醇3. 纳米氧化锌（ZnO）设备：1. 静电纺丝机2. 电子天平3. 真空干燥箱4. 扫描电子显微镜（SEM）5. 透射电子显微镜（TEM）6. X射线衍射仪（XRD）四、实验步骤1. 配制PVA溶液：称取一定量的PVA粉末，加入适量乙醇溶解，搅拌均匀。
2. 配制纳米氧化锌溶液：称取一定量的纳米氧化锌，加入适量乙醇溶解，搅拌均匀。
3. 混合溶液：将PVA溶液和纳米氧化锌溶液按照一定比例混合均匀。
4. 静电纺丝：将混合溶液注入静电纺丝机，设置合适的电压、喷头与收集器距离等参数，进行静电纺丝。
5. 收集纳米纤维：将静电纺丝制备的纳米纤维收集在铝箔上，干燥。
6. 纳米纤维表征：利用SEM、TEM、XRD等手段对纳米纤维进行表征。
五、实验结果与分析1. SEM分析：从SEM图像可以看出，纳米纤维呈细长条状，直径在100-200nm之间，表面光滑。
2. TEM分析：从TEM图像可以看出，纳米纤维具有明显的纳米级特征，直径在30-50nm之间。
3. XRD分析：从XRD图谱可以看出，纳米纤维具有较好的结晶度，表明纳米氧化锌在纳米纤维中均匀分散。
六、讨论1. 实验结果表明，通过静电纺丝法制备的纳米纤维具有较好的结晶度和均匀的分散性，表明纳米氧化锌在纳米纤维中均匀分散。
2. 实验过程中，电压、喷头与收集器距离等参数对纳米纤维的直径和形态有较大影响。
适当提高电压和缩短喷头与收集器距离，可以制备出更细、更均匀的纳米纤维。
静电纺丝技术制备纳米纤维膜的研究
静电纺丝技术制备纳米纤维膜的研究随着科技的不断发展，我们的生活中出现了越来越多的高科技产品。
其中，纳米材料是近年来备受关注的一种材料，因为它具有独特的物理和化学性质，具有广泛的应用前景，尤其是在医学、环保和能源等领域。
纳米纤维膜就是纳米材料的一种，它由纳米级直径的纤维组成，具有较大的比表面积和特殊的物理、化学性质。
本文将重点关注静电纺丝技术制备纳米纤维膜的研究。
一、静电纺丝技术的原理静电纺丝技术是一种通过静电力将聚合物液滴拉成纤维的技术。
该技术的原理是利用高电场或者静电场的作用下，将聚合物液体（或溶胶）通过微型喷嘴高速喷出，然后在飞行过程中被拉伸成纤维。
在空气中，由于液滴表面带有电荷，因此液滴在飞行过程中受到一个静电场的作用，使得表面电荷分布不均，造成了液滴内部的拉伸和电荷的再分布。
这种电荷分布在液滴各处都不同，从而使得液滴逐渐成为了一个不规则的形状，最后拉成了一个纤维。
二、静电纺丝技术制备纳米纤维膜的优势相较于传统的制备材料的方法，静电纺丝技术制备纳米纤维膜有以下的一些优势：1、材料易得：静电纺丝的材料可以是各种聚合物，包括天然聚合物和合成聚合物，为制备不同艺术品提供了很大的便利。
2、适用范围广：静电纺丝技术不仅适用于制备聚合物纳米纤维膜，同时也可用于生命科学和药物分子的制备。
3、控制性能优良：静电纺丝技术可在控制的条件下制备纳米纤维膜，从而使得材料的柔软度、强度、厚度、直径、形状等物理化学性质都可以进行调整。
三、静电纺丝技术制备纳米纤维膜的应用静电纺丝技术制备的纳米纤维膜由于具有独特的物理和化学性质，因此在许多领域都有着广泛的应用前景。
1、医疗领域：静电纺丝技术制备的纳米纤维膜具有较大的比表面积，可以作为支架、修复组织损伤等医学应用方面使用。
2、环保领域：静电纺丝技术制备的纳米纤维膜在气体过滤、液体过滤和水处理等环境资源方面有着广泛的应用。
3、能源领域：静电纺丝技术制备的纳米纤维膜具有高比表面积和通道数量，对于电池、电解质、太阳能电池、传感器等领域都有重要影响。
ZnO 纳米材料
氧化锌纳米材料的制备、性能、表征及应用综述杨波（专业：无机非金属材料工程班级：化材1101 学号201144049）摘要：纳米材料以其独特的结构与性能受到世人广泛的关注；本文简要介绍了纳米氧化锌材料的最新制备方法、分析表征方法、主要性质、应用、生物毒性、未来研究方向及展望。
关键词：纳米材料；氧化锌；制备；生物毒性；研究方向1、前言纳米Zn0 是一种新型高功能精细无机产品，与普通ZnO 相比，因其特有的表面效应、体积效应、量子效应和介电限域效应等，在催化、光学、磁性和力学等方面展现出许多特异功能，特别是它的防紫外辐射及其在紫外区对有机物的催化降解作用，使其在陶瓷、化工、电子、光学、生物、医药等很多领域具有重要的应用ZnO 有纳米管、纳米棒、纳米丝和纳米同轴电缆、纳米带、纳米环、纳米笼、纳米螺旋及其超晶格结构等多种纳米形态，是纳米材料家族中结构最多样的成员之一。
本文主要评述了近年来氧化锌纳米材料制备的一些新方法，比较了各种方法的优缺点；介绍了氧化锌纳米材料的性质及其可能的应用领域，并对氧化锌纳米材料的发展前景进行了展望。
2、氧化锌纳米材料制备的新方法对纳米材料的研究首先是侧重于制备方法的研究，随着研究的不断深入，近年来,人们已开发了一系列制备氧化锌纳米材料的新方法,如微波法、静电纺丝法、离子液体法、脉冲激光烧蚀沉积法、频磁控溅射法、等，下面将对其一一介绍。
2.1、静电纺丝法静电纺丝是一种制备纳米纤维的技术, 这种方法可以十分经济地制得直径为纳米级的连续不断的纤维。
近年来，由于对纳米科技研究的迅速升温，静电纺丝这种可大规模制备纳米尺寸纤维的纺丝技术激起了人们的广泛兴趣。
典型的静电纺丝装置见图1，装置一般由三个部分组成：高压直流或交流电源、电纺丝喷嘴、接收电极。
聚合物溶液或熔体与高压电源通过导线相连, 接收板接地，当高压电施加于聚合物溶液或熔体时，位于针头顶端的液滴表面强电场作用下，将带有大量的诱导电荷，液滴在其表面电荷的排斥力和外部电场的库仑作用力下，变形成泰勒锥状，当电场强度达到某一临界值时，静电力将克服溶液的表面张力，液体流将从泰勒锥顶端喷射而出，在射流运动一段距离后，裂分为许多小的聚合物流。
利用静电纺丝技术制备ZnO纳米线
Ｎ４ ）混合水溶液 中，在 ９ ℃水浴 里加热 ３ ，使 Ｚ Ｏ纳米 Ｏ ｈ ｎ 线在有 Ｚ Ｏ纳米种子的 Ｚ Ｏ／Ｓ０ 复合纤维膜 上生长 ，得 ｎ ｎ ｉ２ 到 的样品立即用流动 的去 离子水反 复清洗 ，洗 去表 面残 留 的多余离子和胺盐＿ 。 ６ ］
物理法 ：热氧化法和气相输运法制备 Ｚ Ｏ纳米线 ［ 。 ｎ ５ ］ 在本文的研究 工作 中，通过溶胶 一凝 胶法制备 Ｚ ０纳 ｎ 米种子ｌ ，用 电纺得 到的 Ｚ Ｏ ｉｚ复合纤 维膜 浸在纳米 ＿ ６ ］ ｎ ／ＳＯ
Ｚ Ｏ溶胶 中，使其充当控制 Ｚ Ｏ纳米线 （ ）生 长的先驱 ｎ ｎ 棒 物种子 ，同时避免 了催 化剂带来 的污染 ，再 采用溶 液生 长 制备 Ｚ Ｏ纳米棒 。 ｎ
电 源 ， 电压 １ｌ ６ ｖ；针 尖 正 下 方 放 置 铝 片 接 收 ，铝 片 接 地 ， 【
Ｚ Ｏ具有很多优越特性 ，如较 高的激子束 缚能 ６ｍｅ ｎ ０ Ｖ
（ 大 于 室 温 热 离 化 能 ２ ｍｅ 、宽 禁 带 （ 远 ６ Ｖ） Ｅ＝３ ２ ｅ 、室 ． ７Ｖ）
针尖和铝片的距离 为 １ｃ ８ｍ，室温 下进行纤维 的制备 ，得到 直径 分布 均匀 、表 面光 滑 的醋酸 锌 、正硅 酸 乙酯／ Ｖ Ｐ Ｐ纤 维 。将得到的醋酸 锌、正硅酸 乙酯／ ｖ Ｐ Ｐ纤维 进行 热处 理 ， 最终选择热处理方案 ：５Ｃ ｍ ｎ ＂／ ｉ 升温至 ５０ ５￣ Ｃ，保温 ２ｈ ，随
１２Ｚ Ｏ纳米种子的制备 ． ｎ
溶胶一凝胶法制 备 Ｚ Ｏ纳米种 子。实验过程分 ２步进 ｎ 行 ：第 １ 步制备 ＺＯ胶体 ，用 电子天平称一定 量的醋酸锌 ， ｎ
加入 ５ ０ｍＬ无水乙醇中，溶解后在 ６ ℃的水浴下不停搅拌 ２ Ｏ ｈ ，置于冰水浴 中冷却 ，加入 Ｌ０Ｈ． ０，不停 搅拌 ，用抽 ｉ Ｈ２ 滤装置抽滤后得到纳米 Ｚ Ｏ溶胶 ；第 ２步在 Ｚ ０／Ｓ 复合 ｎ ｎ 纤维膜上制 备 Ｚｌ ｒ ０纳米种 子 ，为 了有 利 于纳米 线 的生长 ， 用 Ｚ Ｏ ｉｚ复合纤维膜浸 在纳米 Ｚ Ｏ溶胶 中 ３ ，使其充 ｎ ／Ｓ Ｏ ｎ ｈ 当控制 Ｚ Ｏ纳米线 （ ｎ 棒）生长的先驱物种子 。
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收稿日期:2009205218
基金项目:福建省教委科技计划(JB07060);福建师范大学本科生课外科技计划(BKL20082204).
联系人简介:吕玮(19782),女,硕士,讲师,主要研究方向为新能源与新材料.
E2mail:chuifengluwei@163.com
[文章编号]100029035(2009)0520347205ZnO纳米纤维的静电纺丝及其光催化性能的研究吕 玮3,陈顺玉,陈登龙,陈育民,谢珍珍
(福建师范大学化学与材料学院,福建福州350007)
[摘 要] 以聚乙烯醇溶液为络合剂与醋酸锌反应制得前驱体溶液,采用静电纺丝法制备PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维,经过高温煅烧得到直径为100nm的ZnO纳米纤维,采用差热2热
重分析、红外光谱分析、X射线粉末衍射分析及扫描电镜等手段对其进行了表征.光催化降解酸性品红溶液的实验结果表明,太阳光照65min使质量浓度为45mg/L酸性品红水溶液的脱色率达93%;另外,重复使用ZnO纳米纤维4次之后,其光催化降解率仍能达到70%以上.这充分说明ZnO纳米纤维具有良好的光催化性能.
[关键词] 静电纺丝法;纳米纤维;ZnO[中图分类号] O614 [学科代码] 150・45 [文献标识码] A
ZnO纳米材料具有许多优异性能,如小尺寸效应、表面和界面效应及量子尺寸效应等,在生物工程、涂料、汽车工业、光催化等众多领域皆有广泛的应用前景,被誉为面向21世纪的现代功能材料[125].
目前对纳米ZnO的研究多集中于ZnO的纳米微粒和纳米薄膜[629],关于ZnO纳米纤维的文献较少,而因
其具有极大的比表面积,将有更广泛的应用.静电纺丝是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得微纳米级纤维的纺丝方法[10212].静电纺丝法可以说是能够制备长尺寸的、直径分布均匀的、成分
多样化的纳米纤维的最简单的方法,因此激起了人们的广泛兴趣[13].文献[14216]用PVP乙醇溶液或
PVA的水溶液与醋酸锌络合制备ZnO纳米纤维.本文以PVA为基体、甲酸为溶剂与醋酸锌络合,用静电纺丝法制备ZnO纳米纤维.由于PVA的O—H基团比PVP中N—H基团更易与Zn结合,而且PVA的价格更便宜,同时甲酸的挥发性比水大,能减少电纺过程中的纤维粘连现象.以制得的ZnO纳米纤维作为光催化剂,对酸性品红溶液进行光催化降解,考察了ZnO纳米纤维的光降解效率以及ZnO纳米纤维的重复使用对光催化降解率的影响.
1 实验部分1.1 试剂及仪器聚乙烯醇(PVA)、甲酸、醋酸锌[Zn(Ac)2・2H
2O]均为分析纯试剂.
XpertPro粉末衍射仪,Philips公司;红外光谱分析仪670型FT2IR,Nicolate公司;差热2热重(TG2DTA)分析仪,NETZSCHSTA449C,德国耐弛公司;扫描电子显微镜KYKY21000B,中国科学仪器厂;721W可见分光光度计,上海光学仪器厂.
第25卷第5期分子科学学报Vol.25No.5
2009年10月JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCEOctober20091.2 电纺法制备ZnO纳米纤维称取一定量的Zn(Ac)2・2H
2O溶解于甲酸中,再加入适量的PVA,在室温下磁力搅拌4h,制得PVA/
Zn(Ac)2前驱体溶液.把前驱体溶液装入注射器中,将该注射器安置在微量注射泵上,调节喷丝头到接
收板的间距及电压,按图1所示装置纺丝.利用微量注射泵的推力把纺丝液从注射器的针头挤出,在针头形成Taylor锥体,在高压电场下进行纺丝.电纺制得的PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维无规则地收集在铝箔纸上,形成纳米纤维膜.将制得的纳米纤维膜取下,放人马弗炉中,以50℃/h的速率升温,于600℃下煅烧3h,得到分布均匀的ZnO纳米纤维.
图1 静电纺丝装置示意图1.3 光催化性能测试配置质量浓度为45mg/L的酸性品红溶液.取2个烧杯,各加入100mL酸性品红溶液,往1号烧杯中加50mgZnO纳米纤维,2号烧杯不加任何催化剂进行空白实验,将2个烧杯置于太阳光下,搅拌,每隔5min取样,以1cm石英皿为样品槽,水为参比,采用721W可见分光光度计对样品在360～800nm区进行测定,选取最大吸收波长542nm处,测定酸性品红溶液吸光度的变化.同时还考察了ZnO纳米纤维重复使用对光催化性能的影响.反应2h后,静置,滤去1号烧杯的溶液,加入相同浓度相同体积的酸性品红溶液,重复光催化降解实验,直至酸性品红溶液的色度不能显著去除为止.
1.4 分析方法采用色度分析法,即通过检测酸性品红溶液在反应前后的色度来分析试验的处理效果.
酸性品红溶液对可见光有一定的吸收,可以使用分光光度计测量其吸光度来计算它的降解率.根据比色原理,溶液中的某种物质的颜色的强度与其物质的量成一定比例.根据下式计算酸性品红溶液的脱色率酸性品红溶液的脱色率=(A0-At)/A0×100%.
式中:A0和At分别为光照前和光照t时间后的酸性品红在最大吸收波长处的吸光度值.
2 结果与讨论2.1 差热2热重分析对PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维进行程序升温热处理,对应的TG2DSC曲线见图2.由图2曲线可以看出,PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维的热失重行为:加热到600℃时曲线趋于水平.这表明,PVA和醋酸锌中的有机物部分及其他易挥发物质已被完全除去.从TG曲线上可以看出,PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维的失重分3个阶段:第1阶段从200℃到270℃;第2阶段从270℃到460℃,这2个阶段可能是PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维的残余甲酸和醋酸锌结晶水的失去,以及醋酸锌和PVA侧链的分解;第3个
阶段从460℃到520℃.DSC曲线上可以看出,PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维在500℃有1个明显的放热峰,这可能是PVA主链的热分解所造成的;当温度达到600℃时,曲线变得平缓,表明试样完全转变成为无机氧化物———氧化锌.
843分子科学学报第25卷
图2 PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维TG2DSC曲线 图3 PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维煅烧前后的红外谱图
2.2 红外光谱分析图3是PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维煅烧前后的红外谱图.图3谱线a中3489,2930,1711,1594,
1380,1174,797cm-1处出现的吸收峰是因PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维中O—H,C—H,CO及C—C
等键的振动引起的.煅烧至600℃时,这些峰减弱或者消失(图3谱线b),而在451和452cm-1出现ZnO
的特征吸收峰,这说明经过高温煅烧后,PVA和Zn(Ac)2已发生分解,生成了ZnO无机组分.煅烧后的红外光谱在3421cm-1也出现O—H键的特征吸收峰,这可能是PVA对ZnO纳米纤维进行原位表面修饰造成的.
2.3 X射线粉末衍射分析图4是PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维经600℃煅烧后的X射线粉末衍射(XRD)谱图.从图4可看出,
图4 PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维煅烧后的XRD谱图经600℃煅烧后样品已经分解生成无机氧化物ZnO.
在图4的XRD谱图上,PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维煅烧到600℃时,在2θ=22.1°,31.7°,34.3°,3612°,
45.2°,47.5°,56.5°,62.8°,66.2°,67.8°,69.0°,72.5°,77.0°处衍射峰尖锐,各衍射峰的位置与JCPDS标准卡的衍射峰位置一致,可以确定PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维煅烧到600℃时产物为ZnO纳米纤维.
2.4 纤维形态分析图5的(a)和(b)分别为PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维未煅烧和煅烧至600℃的SEM图.由图5(a),可以看出PVA/Zn(Ac)2复合纳米纤维表面光滑,粗细较均匀,在200～400nm之间;由图5(b)看出,高温煅烧后,由于PVA和醋酸锌的分解及其他易挥发物质(如甲酸和CO2等)的挥发,纤维直径变小,但仍保持了纤维的形状,直径约为100nm.
2.5 光催化降解效果分析图6是ZnO纳米纤维对酸性品红溶液的光催化降解率曲线.由图6可见,静电法制得的ZnO纳米纤维对酸性品红溶液的光催化速率较快,5min就达到71.79%,65min后达到93.40%.而不加催化剂,光照同样时间后,酸性品红溶液的颜色无明显变化.ZnO纳米纤维因其具有巨大的比表面积而显示出良好的光催化性能.研究表明[4],煅烧后的纳米纤维含有微小的、有缺陷的和无规则取向的孔隙,这些孔隙可
从液体或气体中吸附有色分子,在适当条件下进行氧化分解,最终脱色.和目前用于催化反应的粉体状纳米ZnO材料相比,ZnO纳米纤维由于有固定的形状和更好的机械强度,具有更好的操作性和易回收性,而且在高温煅烧时产生大量微孔,具有极大的比表面积,反应活性更高.
943第5期吕 玮,等:ZnO纳米纤维的静电纺丝及其光催化性能的研究