文摘
我们报告一个笨重的大孔TiO2粒子与细胞结构准备的木头片作为模板。首先,TiO2索尔被反复浸涂涂在木材切片的过程。在550°C段烧之后,木模板可以被删除,笨重TiO2结构。准备样品通过扫描电子显微镜(SEM), x射线衍射(XRD),能量色散谱(EDS)、透射电子显微镜(TEM)技术。XRD模式确认wood-templated TiO的结晶相2是锐钛矿相。有趣的是,从扫描电镜图像的观察,wood-templated TiO2继承了最初的白桦木材的细胞结构(b . albosinensis伯克),和许多大孔隙中观察到样本。与此同时,wood-templated TiO2提供了一个优越的光催化能力分解罗丹明B (RhB)在紫外线照射下。
1。介绍
Template-directed合成是目前使用最广泛的方法之一,制造无机材料由于其设施和多功能性1- - - - - -4]。除了一些人工模板像乳胶粒子5],聚合物泡沫[6),离子交换树脂(7),和碳纤维8],许多天然模板已经吸引了太多的关注构造无机材料。自然物种利用模板形成的无机材料可从细菌上层建筑(9),昆虫的翅膀10),羊毛和棉花/布纺织品[11],硅藻[12),狗和人类头发13),活细胞(14],蘑菇鳃[13),植物叶片(10),文献[15),花粉粒(16)、壳膜(17),丝纤维(13),骨板(18,蜘蛛丝8,10),和木头19- - - - - -24]。这些材料来自大自然结合许多鼓舞人心的属性,如成熟度、小型化、分层组织、杂交,抵抗,和适应性,经过数十亿年的严格选择流程(4]。从研究结果,使用自然物种作为模板来构建无机材料是一种有效的策略来获得形貌可控的材料与结构专业,复杂性,和相关的独特属性。
在这些自然的模板中,木材是一种自然生长的复合材料具有复杂的分层蜂窝和坑结构组成主要的生物聚合物,主要是纤维素、半纤维素和木质素25,26]。木材船和纤维是中空的管子,这些血管和纤维的排列方式存在着很大的差别与不同的木材品种不同。木材的细胞结构层次的毫米尺度范围从年轮和纵向管胞细胞壁的千分尺规模和直径的纳米尺度的分子纤维和细胞壁的膜结构。液态或气态的开孔率可以渗透(3,20.]。这些木材的特性使它成为一个完美的候选人作为模板生成多孔无机材料的结构和形态的复杂性。以前一些努力已经对木材细胞结构转化成无机SiC (27,28),抽搐(29日),和大孔沸石20.]。通过浸渍木模板用金属醇盐溶胶-凝胶化学解决方案和应用标准,各种金属氧化物多孔材料,如TiO2(30.),阿尔2O3(31日)、铁2O3(21],Cr2O3(32),一直用这种方法的。
在这些无机材料,TiO2是最具潜力的功能材料之一,广泛应用在光催化33,34),太阳能电池(35),和油漆36)由于其优异的化学稳定性和无毒性37,38]。TiO2主要存在于四个多晶型物在自然界中,锐钛矿(正方,空间群我41/amd)、金红石(正方,空间群P42/mnm),板钛矿(斜方晶系的,空间群Pbca),TiO2(B)(单斜,空间群C2 /米)[39- - - - - -42]。在光催化研究中,锐钛矿TiO2通常被认为比金红石晶体[更活跃43]。此外,锐钛矿TiO2光催化与更高的结晶度是首选,因为更高的结晶度意味着更少的缺陷photogenerated电子和空穴的复合36]。在当前的研究中,不同种类的TiO2纳米材料如纳米颗粒,nanosheet、纳米管或纳米纤维已经使用不同的方法制作的。然而,TiO2与木材结构已经很少报道。
为了这个目的,我们开发了一个有效的途径合成wood-templated TiO2。的形态、化学成分、结晶相TiO的准备2通过SEM, EDS、HRTEM、XRD、分别。此外,wood-templated TiO的光催化活性2在紫外光照射下测量。
2。材料和方法
2.1。原材料
所有的化学品都是由上海博伊尔化学有限公司和作为收到。脱水白桦木材(b . albosinensis伯克)是切成薄片的大小20毫米(切线)×20毫米(径向)×2毫米(纵向)。木头片预防与95%乙醇索氏仪器在80°C 6 h下回流除去脂肪和脂肪酸的提取像木头。那么这些片与去离子水冲洗。最后,把木头片在真空干燥60°C超过24小时。
2.2。TiO的准备2索尔
Tetrabutylorthotitanate (TBOT)二乙醇胺(DEA)和绝对乙醇作为原料。34毫升TBOT和11毫升的DEA在100毫升乙醇溶解前体的解决方案做准备。在室温下搅拌2 h后,混合溶液的55毫升水和9毫升乙醇是一滴一滴地加搅拌后另一个3 h。然后TiO2索尔。
2.3。制造Wood-Templated TiO2
首先,木头片被TiO涂层2溶胶通过反复浸涂的过程。使用木头片沉浸入好TiO2索尔为5分钟。之后,这些片干80°C 3 h。这个过程是确保TiO重复5次2索尔密集,均匀地覆盖到木材切片。然后,煅烧过程是用来去除木模板。让wood-templated TiO2、木TiO涂层2索尔马弗炉中煅烧温度的550°C 3 h在空气气氛和空气冷却到室温。最后,从马弗炉煅烧采集标本,和wood-templated TiO2获得了。
2.4。特征
形态学观察样品的扫描电子显微镜(SEM、范、广达200)和透射电子显微镜(TEM),范Tecnai F20)。治疗和治疗木材的化学成分是衡量能量色散谱(EDS,附着在SEM)。晶体结构是由x射线衍射(XRD Rigaku D / MAX 2200)操作与铜Kα辐射((2)在扫描率θ4°/分钟)的加速电压40 30 kV和应用当前硕士10°~ 70°。
2.5。光催化活性的评价
样品的光催化活性估计通过分解罗丹明B (RhB)反应堆体积为100毫升。辐照源是一个紫外线100 W灯(上海Rongbo有限公司,中国),波长为254 nm。的光催化活动准备的产品被判定在溶液中通过测量RhB的损失。暂停100毫克的催化剂和100毫升RhB溶液的初始浓度50 mg / L磁搅拌在辐照前的黑暗1 h而不中断。溶液浓度的变化在每30分钟测量来判断在黑暗中催化剂的吸收。每间隔3 h,过程中一个特定的混合样本收集、离心,然后测量。的降解率表示的降解效率RhB获得通过紫外可见分光光度计测量吸光度的变化(图- 190,北京浦肯野,中国),及其RhB的最大吸收波长为554.5 nm。光催化反应器的原理图在图表示1。
3所示。结果与讨论
图2显示截面的形态的原始的木头,木头TiO涂层2索尔,wood-templated TiO2,分别。如图2(一)、原始木材的细胞结构可以清楚地观察到。木材船的直径约20 ~ 50μm是不规则的圆形。木纤维的直径约5 ~ 20μm是统一安排在木头船。在图2(b),木材结构没有明显改变后通过TiO浸涂过程2索尔。从图可以清楚地看到2(c),原木材的结构很好地保持在煅烧过程。在SEM图像(图放大2(d)),煅烧木材船与小崩溃可以明显观察到直径大约35μm。同时,煅烧木纤维如图2(e)和一个薄相比原木材细胞壁也安排没有任何崩溃。这些纤维的直径大约是15μm。总之,TiO2与木材细胞结构成功由浸涂和煅烧过程。原木材的微观结构不能被摧毁之前的过程。
EDS光谱也记录了原始的木头,木头TiO涂层2索尔,wood-templated TiO2,分别。如图3(一个)、碳、氧和金元素从EDS频谱可探测到的原始木材。碳和氧的元素来自木材基质,和黄金的元素从涂料层用于扫描电镜观察。除了碳和氧元素的信号,钛和氮元素显示在TiO的光谱2sol-coated木头片(图3 (b))。钛和氮的元素来源于TBOT和DEA TiO2分别溶胶。在550°C煅烧后,只能对氧气和钛元素的EDS频谱(图3 (c)),未发现其他元素,证实原来的木头和TiO的组件2前体煅烧过程中完全删除。
(一)
(b)
(c)
x射线衍射模式的原始木头,木头TiO涂层2索尔,wood-templated TiO2提出了在图4。图4(一个)显示一个典型的x射线衍射模式的原始木材。衍射峰16°和22.6°被认为代表着木纤维素的结晶区(25]。在图4(b),没有其他新的衍射峰成立除了最初的木头的衍射特征,这可能是由于TiO的水晶阶段2索尔是由非晶态TiO的2在煅烧之前。显然,在图4(c),衍射峰16°和22.6°属于原始木材样品消失了。新强煅烧的样品的衍射峰出现,这表明新晶体结构的形成的煅烧木材样本。所示的wood-templated TiO模式225°的衍射峰,38°,48°,和54°可以分配给的衍射(101)、(004)、(200)和(211)锐钛矿TiO的飞机2(JCPDS号码21 - 1272)[36,40),分别。XRD wood-templated TiO的模式2还证实,原始木材的组件完全摆脱了通过煅烧过程。
透射电镜图5(一个)显示一个更获得TiO的精细结构2烧结在550°C 3 h。尽管TiO2样品已经粉碎,TEM图像片被发现,就像细胞的原始木材框架。因此,我们可以有把握地得出这样的结论:原始木材的细胞结构被保存后煅烧过程。选定区电子衍射(SAED)切片图5 (b)照亮wood-templated TiO的结晶相2与共存的多晶衍射环和斑点SAED模式。介绍了图像在图5 (c)显示邻近晶格边缘之间的距离(101)飞机约0.352纳米锐钛矿TiO对应2水晶(a = 0.325 nm, c = 0.521海里)。
(一)
(b)
(c)
的光催化能力获得cellular-structured TiO2研究通过分解RhB染料,非常难降解有毒有机污染物和高度。RhB的光降解曲线表现出图6。的wood-templated TiO2紫外线照射下可以photodegrade RhB。原木材如图6(一)有一个小RhB约4.6%的光催化活性。这主要归因于物理吸收效应,因为多孔木头。在图6(b), TiO的木头涂2索尔RhB显示约8.21%的光催化活性。然而,wood-templated TiO2表达了优越的光催化活性约92.5% RhB(图6(c))。TiO获得的光催化效率2可能是极大地增强了,因为TiO做好准备了吗2保持原始的木材细胞结构。原木材多孔结构可以提供一个便携式载体吸收和降解有机污染物。
与此同时,wood-templated TiO的光催化活性2是商用TiO相比2P25(德固赛、德国),由锐钛矿和金红石(80%)(20%)TiO的阶段2。相同的实验条件选择P25。从对比催化剂wood-templated TiO2和P25(图6(d)),可以看出RhB接受分解快一点在后者的情况下催化剂。但P25粉是TiO的问题2分散在水中形成一个白色胶状溶液,很难单独的反应混合物的重用。分离性能测试表明,wood-templated TiO2有很好的沉降能力和可以从悬浮浆在大约15分钟,而P25不45分钟后轻轻倒出。
4所示。结论
在本文中,锐钛矿wood-templated TiO2成功的通过使用一个灵巧的浸涂和随后的煅烧过程。的好TiO2具有典型的细胞结构完整的血管和统一安排木材纤维。另外,这个wood-templated TiO2提出了一个RhB优越的光催化降解。本文可能提供了另一种方式使用天然木材为模板制造无机材料。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金资助(批准号31270590和31270590)和中国国家基础研究计划(973计划,批准号2009 cb220000)。