具有多级结构的功能性氧化物纳米纤维的制备和表征

1、具有多级结构的功能性氧化物纳米纤维的制备和表征 本论文主要探讨利用电纺技术结合溶胶凝胶方法制备具有多级结构的功能 性金属氧化物纳米纤维， 内容包括纤维的制备过程以及形貌和级次结构的控制方 法，对多级结构纳米纤维的物理化学性质， 如光催化、 选择性光催化和磁性质等 进行了研究。 通过对纤维性质的研究， 探讨了纤维材料在水污染处理、 空气污染 治理、选择性光降解和吸波材料等领域的应用。1 中空介孔TiO₂和SiO₂连续纳米结构纤维的制备 利用同心双管电纺的方法制备了连续可纺的中空TiO<sub>

2、2</sub>介孔纤维，纤维长度可达30cm,直径为0.1-4卩m壁厚为60-500nm之间。控制电纺装置中内 外管的N₂S力可以调控TiO₂中空纤维的直径和壁厚。根据N<sub>2v/sub>>附脱附曲线计算表明纤维的比表面积为200-208m²/g,平均孔径为6.7nm。虽然中空纤维的管壁上有些区 域具有很规则的二维六方介孔结构，但整体而言，介孔没有长程有序性。经过对亚甲基兰水溶液和甲醛气体的光催化降解实验，发现TiO

3、₂介孔中空纤维比商品化的光催化剂P25和自制的介孔TiO₂粉体具有更高的光催化效率。为防止得到的纤维回缩，改变接 收装置，双管共喷不互溶的机油和介孔 SiO₂凝胶前驱体，制备了中 空介孔SiO₂纳米纤维，得到的纤维管壁不仅具有介孔还具有微孔。这种多级结构介孔纤维的长度可达 10cm直径为100-400 nm壁厚在50-200nm。N₂吸附脱附实验表明纤维具有很高的比表

4、面积，约为468.0m²/g，0孔径分布集中在 6.6 nm ,微孔的比表面积为 312.1 m²/g，对表面积的贡献率为 67%。但是，多级结构 SiO₂ 纤维介孔的有序性较差，是蠕虫状介孔，没有长程有序性，并进一步对两种介孔的形成机理进行了详细讨论。2具有选择性光催化性质的介孔 TiO₂ （核）/ SiO₂ （壳）纳米 纤维的制备为了解决单纯的TiO<sub

5、>2</sub>没有光催化选择性的问题，我们利 用双管电纺技术制备了介孔 TiO₂ （核）/ SiO₂ （壳） 复合纳米结构纤维，纤维的长度可达20-30cm,直径为100-300nm,壳层厚度为5.50 nm 。通过调节电纺过程工艺参数可调控核壳结构纳米纤维核的直径与壳层的厚度。根据纤维的N<sub>2</sub附脱附曲线，通过DFT方法计算得出 TiO₂核的孔径为7nm而在SiO<sub>2</sub

6、>壳层中存在两种孔径分 别为3.5nm和1.3 nm的孔。利用该介孔核壳结构纳米纤维作为光催化剂降解同种浓度的亚甲基兰染料（或活性黄染料） 和分散大红染料水溶液实验， 发现其具有非常优异的尺寸选择 性光催化性质。 3铁基纳米结构纤维的制备铁基中空纤维在催化、吸波和磁性 材料等诸多领域有着广泛应用， 本实验利用双管电纺技术结合溶胶凝胶方法制备 了 a -Fe₂O₃中空纤维，得到的空心纤维的外径为 0.5-5 卩m壁厚为200-800nm=将 a -Fe₂

7、O₃中空纤维在不同 H₂气氛 条件、不同温度下还原并氧化得到了 a -Fe和丫 -Fe₂O₃ 中空纤维。 中空铁基纤维在微纳器件和催化领域将有很好的应用前景， 而且双管 电纺技术可适用于多种功能性氧化物中空纤维的制备， 极大地丰富了管状纤维的 制备方法。以醋酸锌、 碱式醋酸铁为原料， 柠檬酸为螯合剂， 结合单管电纺技术制备了ZnF e<sub>2v/sub>O<sub>4v/subt凝胶纳米纤维，然后高温烧结除去有机组分 得到具有多晶结构的ZnFe<sub>2v/sub>O<sub>4v/sub：纳米纤维。得到的 Zn Fe<sub>2v/sub>O<sub>4v/sub：纳米纤维直径为100 nm到几微米，纤维由 20-30nm的尖晶石型ZnFe<sub>