Vo1.32 2011年1O月 高等学校化学学报 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES No.10 2262~2267 静电纺丝技术制备LaCrO4和LaCrO3 纳米带及其光催化性质 孙 霞,董相廷,王进贤,刘桂霞 (长春理工大学化学与环境工程学院,长春130022) 摘要 采用溶胶一凝胶法结合静电纺丝技术制备了PVP/[La(NO ),一Cr(NO ) ]复合纳米带,经热处理后得 到LaCrO 纳米带和LaCrO 纳米带.采用TG—DTA,XRD,SEM和EDS等测试手段对样品进行了表征.结果 表明,PVP/[La(NO,),一Cr(NO,),]复合纳米带表面光滑,宽度为(9.1±1.9)Ixm,厚度约385 nm;经600℃ 焙烧后得到单斜独居石型LaCrO 纳米带,宽度为(2.5±0.5) m,厚度约100 nm;当焙烧温度为650~800 ℃时得到LaCrO,多孔纳米带,属正交晶系,Pbnm空间群,经650℃焙烧后得到的LaCrO 纳米带呈多孔结 构,带宽为(2.4±0.5) m,厚度约90 nm;经800℃焙烧后得到的LaCrO 纳米带部分破碎形成LaCrO 纳米 粒子,LaCrO 纳米带宽度约(1.3±0.4) m,厚度约90 nm,LaCrO 纳米粒子粒径约8O nm.以罗丹明B为 目标降解物,研究了不同焙烧温度下产物的光催化性能,其中800℃焙烧后得到的样品在紫外光照射下对 罗丹明B的降解效果最好,光照200 min后罗丹明B的降解率为94.6%. 关键词静电纺丝;LaCrO ;LaCrO ;纳米带;光催化 O614.32;TB34 文献标识码A 文章编号0251-0790(2011)10-2262-06 中图分类号稀土钙钛矿型复合氧化物是一种具有独特物理和化学性质的新型无机非金属材料,近年来备受关 注.铬酸镧(LaCrO )是2O世纪7O年代发展起来的一种高温陶瓷发热材料,是钙钛矿型稀土过渡金属 氧化物中结构最稳定的材料,具有熔点高、抗氧化、耐高温和稳定性好等特点,在高温氧化和还原气 氛中都具有良好的抗高温耐腐蚀性、力学性能及电性能,可用作氧化气氛中高温电炉发热体在1500~ 1800℃高温下长时间使用,电阻变化小于5%,主要用作固态氧化物燃料电池 1 和燃料催化剂 等, 广泛应用于电子、陶瓷、玻璃、冶金、化工和机械等行业的中高温电炉和电加热设备上.LaCrO 是La— CrO 制备过程中的一个中间产物 卜 ,具有一定的催化活性_9 J.目前,对LaCrO 纳米粒子的制备和应 用的研究较多,制备方法也比较成熟,主要有溶胶.凝胶法¨,m J、微波辅助合成法 、气相沉积法 和 水热法… 等.而对钙钛矿型LaCrO 薄膜 ,他'¨ 和纳米纤维 等材料的研究还比较少,对于LaCrO 和 LaCrO 纳米带的制备及性能研究尚未见报道. 静电纺丝技术是一种制备一维纳米材料的简单易行的方法 J,目前已经采用静电纺丝技术制 备了GGG:Eu¨纳米带 19]、TiO2纳米带 、YVO4:Ln和Y(V,P)O4:Ln(Ln=Eu¨,sm¨,Dy¨)纳 米带 、PANI纳米带 和氧化物(Co 0 ,CuO和MnO )混合纳米带心 等,但采用静电纺丝技术制备 LaCrO 和LaCrO 纳米带目前鲜见报道.本文以金属硝酸盐为原料,聚乙烯吡咯烷酮(PvP)为模板剂, Ⅳ,Ⅳ.二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂制备了前驱体溶胶,然后采用静电纺丝技术制备了PVP/[La(NO。),一 Cr(NO ),]复合纳米带,在不同温度下对复合纳米带进行热处理,对所得产物进行了系统的表征,并 研究了其对罗丹明B降解的光催化作用. 收稿日期:2010—12—13. 基金项目:国家自然科学基金(批准号:50972020)、吉林省科技发展计划重大项目(批准号:20070402,20060504)、教育部科学技 术研究重点项目(批准号:207026)、长春市科技计划项目(批准号:2007045)和吉林省教育厅“十一五”科学技术研究项目(批准号: 200745,2005109)资助. 联系人简介:董相廷,男,博士,教授,博士生导师,主要从事纳米材料研究.E—mail:dongxiangting888@yahoo.COB.ca 孙霞等:静电纺丝技术制备LaCrO 和LaCrO,纳米带及其光催化性质 1 实验部分 1.1试剂与仪器 硝酸镧[La(NO ),・6H O]和硝酸铬[Cr(NO,),・9H:O]为天津市科密欧化学试剂开发中心产品, 聚乙烯吡咯烷酮(PVP,M =90000)和Ⅳ,Ⅳ一二甲基甲酰胺(DMF)为天津市天泰精细化学品有限公司产 品,以上试剂均为分析纯. SDT-2960型热分析仪(美国 rA公司),空气气氛,升温速率10 ̄C/min;Y一2000型x射线衍射仪 (丹东奥龙射线仪器有限公司),Cu靶,Kot辐射,Ni滤波片,工作电流20 mA,电压40 kV,扫描速率 为4 ̄/min,步长为0.02。;XL一30型场发射扫描电子显微镜(荷兰FEI公司);ISIS一300型x射线能量色 散谱仪(英国Oxford公司);UV-1240型紫外-可见分光光度计(日本岛津公司). 1.2前驱体溶胶的制备 称取适量La(NO。) ・6H 0和Cr(NO。) ・9H 0(摩尔比为1:1)溶于适量的DMF中,在磁力搅拌 下,将一定量的PVP加到上述溶液中.室温下磁力搅拌12 h,静置3 h,得到前驱体溶胶,其中金属硝 酸盐、PVP和DMF的质量分数分别为7%,20%和73%. 1.3静电纺丝技术制备复合纳米带 将适量上述前驱体溶胶注入带针头的注射器中,针头直径为0.8 mm,采用高压直流电源,以铜丝 作正极,铁丝网作负极,调整固化距离约为20 cm,电压约10 kV,在室温(10~20℃)和相对湿 度50%~70%下进行静电纺丝,在铁丝网上即可 收集到PVP/[La(NO,) 一Cr(NO ),]复合纳米带. 制备装置如图1所示. 1.4 LaCrO4纳米带和LaCrO3纳米带的制备‘ 将PVP/[La(NO3) 一Cr(NO )3]复合纳米带 放到程序控温炉中进行热处理,升温速率 1℃/min,分别于600,650和800℃下保温8 h, 然后以1 ̄C/min的速率降至200℃后自然冷却 至室温,得到LaCrO 纳米带和LaCrO,纳米带. 1.5光催化实验 Fig.1 Schematic diagram of electrospinning setup 以罗丹明B为目标降解物考察了样品的光催化性能.采用紫外灯光垂直照射,主波长365 nm,功 率500 W,光照距离20 cm.首先向烧杯内加入100 mL 1×10。mol/L的罗丹明B溶液和0.05 g所制 备的LaCrO 纳米带和LaCrO,纳米带(光催化剂),超声5 min后开始光照,进行光催化降解反应,每 隔20 min取一定量的溶液离心分离3次,保留上层清液,每次5 min,然后用uV一1240型紫外可见分光 光度计测其最大吸收波长A=553 nm处的吸光度A,求出对应的降解率D[D=(A 一A)/A ×100%, 其中 。为罗丹明B原始溶液的吸光度,A为不同时刻溶液的吸光度]. 2结果与讨论 2.1 TG-DTA分析 图2为PVP/[La(NO。),一Cr(NO,) ]复合纳米带的TG和DTA曲线.从图2可以看出,整个失重过 程主要分为3个阶段,第一阶段为40~150℃,在DTA曲线的76℃处存在1个小的吸热峰,对应的 TG曲线上有1个失重台阶,质量损失为16.6%,主要是复合纳米带表面吸附的水分和所残留的DMF 受热挥发造成的;第二阶段为150~397℃,在DTA曲线上的337℃处存在1个很强的放热峰,对应的 TG曲线上有1个较大的失重台阶,在此温度范围内的失重约为44.1%,主要归属于PVP主侧链的氧 化分解.第三阶段为397~567 oC,在DTA曲线上的454 oC处存在1个较强的放热峰,同时在477℃有 1个小放热峰,对应的TG曲线上有1个失重台阶,在此温度范围内失重29.5%,这是由于硝酸盐氧化 高等学校化学学报 VoI.32 分解造成的.当温度高于600 oC时,TG和DTA曲线 都趋于平稳,说明此时金属硝酸盐、PVP和DMF全 部分解挥发,得到纯净的无机物,整个过程总失重 为90.2%. 2.2 X射线衍射分析 PVP/[La(NO ) -Cr(NO ) ]复合纳米带在不同 温度下热处理8 h后所得样品的x射线衍射图及La— CrO (PDF#89-0448)与LaCrO3(PDF#24—1016)的标 准卡片如图3所示.由图3可见,PVP/[La(NO ),一 表明样品为无定形结构.当焙烧温度为600 oC时(图 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Temperature/ ̄C g.2 TG and DTA curves of PVP/[La(NO3)3- Cr(NO ) ]复合纳米带(图3谱线a)无明显衍射峰, FiCr(NOs) ]composite nanobel ̄ 3谱线b),可以看到明显的衍射峰.此时产物衍射峰的d值和相对强度与LaCrO 的PDF标准卡片 (89 ̄448)基本一致,为单斜独居石型LaCrO .复合纳米带在650 cI=焙烧后所得产物的XRD谱如图3 谱线C所示,其衍射峰的d值和相对强 — 重— 呈————J L_. 羹 ^ ^ 萋 _ 妻v 奠 ^ ! 一 JU0口。BJJ∞露窆 . . 度与LaCrO 的PDF标准卡片(24- 1016)一致,为正交晶系的LaCrO ,空 ! —..间群为Pbnm,无其它杂相出现,说明此 时已形成了纯相的LaCrO 纳米带.当焙 烧温度为800℃时(图3谱线d),样品 一—, 、一_ 一. 一~———! (L ! 3) 、.虢 量量粪 重重重重量色 衍射峰的d值和相对强度与650℃焙烧 后所得产物的XRD分析结果基本一致, 但800 oC焙烧后衍射峰强度增加,说明 800℃焙烧后样品的结晶度更好.以上 40 50 6O 70 80 2 (。) 分析结果表明,PVP/[La(NO ),一 Cr(NO ) ]复合纳米带在600℃焙烧后 得到单斜独居石型的LaCrO 纳米带, 在650~800℃焙烧后得到正交晶系的 LaCrO 纳米带,空间群为Pbnm. Fig.3 XRD patterns of composite nanobelts(a)and samples cal- cined at 600 oC(b),650 oC(C)and 800 oC(d)for 8 h The standard data for LaCrO4(PDF#89-0448)and LaCrO3(PDF#24— 101 6 1 are also presented for comparison. 2.3 SEM和EDS分析 图4为PVP/[La(NO ) .Cr(NO,),]复合纳米带以及不同温度焙烧后样品的SEM照片和相应纳米 带的宽度分布直方图(利用Image—Pro Plus 6.0软件,在样品的扫描电镜照片上测量100个宽度值,然 后通过Origin软件统计处理得到).从图4(A)和(A )可以看出,焙烧前PVP/[La(NO,),一Cr(NO,) ] 复合纳米带的表面光滑,宽度约为(9.1±1.9)Ixm,厚度比较均匀,约为385 nm.焙烧后样品表面的 粗糙程度增加,纳米带明显变窄变薄.当焙烧温度为600℃[如图4(B)和(B )]时所得到的LaCrO 纳 米带表面粗糙,宽度约为(2.5±0.5)Ixm,厚度约为100 nm.PVP/[La(NO ) 一Cr(NO3)。]复合纳米带 经过650℃焙烧后得到LaCrO 多孔纳米带,如图4(C)和(C )所示,纳米带宽度为(2.4±0.5)ttm, 厚度约为90 nm.当焙烧温度达到800℃时[图4(D)和(D )],由于焙烧温度过高,LaCrO,纳米带部 分破碎,得到LaCrO 纳米带和LaCrO 纳米粒子的混合物,其中LaCrO,纳米带宽度约为(1.3±0.4) txm,厚约90 nm,LaCrO 纳米粒子的粒径约为80 nm.SEM分析结果表明,所制备的复合纳米带、 LaCrO 纳米带和LaCrO 纳米带尺寸均匀,宽度服从正态分布.由于有机物和硝酸盐的分解,样品焙烧 后表面的粗糙程度增加,纳米带明显变薄变窄. PVP/[La(NO ),.Cr(NO,),]复合纳米带分别在600,650和800℃焙烧后样品的能谱分析如图5 所示.从图5可以看出,LaCrO 纳米带和LaCrO,纳米带都是由La,cr和O 3种元素组成,无其它杂质 存在,其中Au来源于样品表面镀的导电膜.能谱分析与上述XRD分析结果一致. No.10 孙 霞等:静电纺丝技术制备LaCrO 和LaCrO,纳米带及其光催化性质 — 一o 墨 。ju 2265 20 16 16 12 8 8 4 O 6 8 10 12 14 16 O Width/lam Wid ̄/pm Width/pm Width/tan Fig.4 SEM images and width histograms of composite nanobel ̄(A,A )and samples calcined 一 一0§_【 Ja山 at 600℃(B,B ),650℃(C,C )and 800 oC(D,D ) l O0 200 3.00 4.OO 5.00 600 700 Eb/k /k 1.00 2.00 3 O0 4 0O 5.0O 6 00 7.00 /kcV Fig.5 EDS spectra of LaCrO4 nanobel ̄(A)and LaCrO3 nanobel ̄obtained at 650℃(B)and 800 oC(C) 2.4光催化活性 图6为LaCrO 纳米带和LaCrO 纳米带对罗丹明B的光催化降解及空白实验曲线图.从图6可以 看出,LaCrO 纳米带和LaCrO 纳米带对罗丹明B的光降解均有催化作用,随着光照时间的延长,罗 丹明B的吸光度逐渐降低,降解率逐渐增大.如图7所示,光照200 min后罗丹明B的降解率分别为 100 … ∞ 80 一(65 ) 60 40 — nt 20 . 0 450 500 550 2/nm 600 650 0 50 l0O l50 200 Iliumination time/min Fig.6 Absorption curves of rhodamine B at different ig.7 DegradatiFon rates of rhodamine B at diferent illumination time in the presence of different photocatalysts illumination time in the presence of different photocatalysts For each sample,from up to down,the illumination time is 0,20, 40,60,80,100,120,140,160,180 and 200 min,respectively. n.I ̄CrO3(800 oC);b.LaCrO3(650 oC); C.LaCrO4;d.blank experiment. 2266 高等学校化学学报 Vo1.32 49.9%(空白实验),89.9%(LaCrO4),87.8%(LaCrO3,650 oC)和94.6%(LaCrO3,800 oC).可见,经 800 oC焙烧后所得到的LaCrO,纳米带对罗丹明B的光催化效果最好.其主要原因可能是复合纳米带经 过800℃焙烧后得到的LaCrO,纳米带部分破碎,形成LaCrO,纳米带和LaCrO,纳米粒子的混合物,比 表面积增大,催化剂表面的活性中心和吸附中心较多,故其光催化效果最好. 3 结 论 采用溶胶一凝胶法结合静电纺丝技术制备了LaCrO 纳米带和LaCrO 纳米带.XRD分析结果表明, PVP/[La(NO,) 一Cr(NO,) ]复合纳米带为无定形结构;经过600℃焙烧后得到单斜独居石型的LaCrO 纳米带;在650~800 oC焙烧后可以得到LaCrO 纳米带,所得产物为正交晶系,空间群为Pbnm.SEM 分析结果表明,PVP/[La(NO )。一Cr(NO ),]复合纳米带表面光滑平整,宽度分布均匀;经过600 焙 烧后所得到的LaCrO 纳米带表面粗糙;650 oC焙烧后得到的LaCrO 纳米带呈多孔状;复合纳米带经 过800℃焙烧后得到的样品为LaCrO 纳米带和部分LaCrO 纳米带破碎形成的LaCrO 纳米粒子,其中 LaCrO,纳米带宽度约为(1.3±0.4) m,厚约90 Hill,LaCrO 纳米粒子的粒径约为80 nm.以罗丹明B 为目标降解物研究不同焙烧温度下产物的光催化性能,实验结果表明,复合纳米带经过800℃焙烧后 所得到的样品在紫外光照下对罗丹明B的降解效果最好,光照200 min后罗丹明B的降解率为 94.6%. 参考文献 DengIF .J.,Zhou X.L.,Ma J.J.,Jiang C.R.,Meng G.Y.,Liu X.Q..Journal ofRare Earths[J],2009,27(2):227—23O Chen Y.H.,Lu X.Y.,Ding Y.Z.,Liu X.Q.,Meng G.Y..Journal of Rare Earths[J],2010,28(1):153—157 Patirck H.T.N.,Naoufal B..Journal of Solid State Chemistry[J],2009,182(4):849--854 Feng Z.J.,Zeng C.L..Journal of Power Sources[J],2010,195(13):4242—4246 Deng G.,Chen Y.G.,Tao M.D.,Wu C.L.,Shen X.Q.,Yang H.,Liu M..Electrochimica Acta[J],2010,55(3):884— 886 [6] Wei X.,Paul H.,Renato F.,Matthias T.,Anke W.,Davide F..Applied Catalysis B:Environmental[J],2010,94(1/2):27一 7 [7]Christopher J.,Randall G.,Nina O..Composites:Part B[J],2004,35:167—172 [8]LI Jing(李静),LI Sheng—Li(李胜利),LIU Wei—Ming(刘伟明),WANG Xiao(王笑).J.Chin.Soc.Rare Earths(中国稀土学报) [J],2007,25(1):45J50 [9] Rida K.,Benabbas A.,Bouremmad F.,Pefia M.A.,Sastre E.,Martfnez—Arias A..Applied Catalysis A:General[J],2007, 327(2):173—179 [10] Ding X.F.,Liu Y.J.,Gao L.,Guo L.C..Journal ofAlloys and Compounds[J],2008,458(1/2):346—350 vas—Vrzquez L.P.,Rend6n-Angeles J.C.,Rodflguez—Galicia J.L.,Guti&rez-Chavarria C.A.,Zhu K.J.,Yanagisawa K..Journal [11] Riof the European Ceramic Society[J],2006,26(1/2):81—88 [12] Jiang Y.z.,Gao J.F.,Liu M.F.,Wang Y.Y.,Meng G.Y..Materials Letters[J],2007,61(8/9):l9O8—191】 [13] Wang S.L.,Dong Y.C.,Lin B.,Gao J.F.,Liu X.Q.,Meng G.Y..Materials Research Bulletin[J],2009,44(11):2127— 2133 [14] QU Zhen(曲震).Synthesis and Characterization of Perovskite—typed Nanofibers by Eleetrospinning Technique(静电纺丝技术制备钙钛 矿型纳米纤维与表征)[D],Changchun:Changehun University of Science and Technology,2007 [15] DONG Xiang-Ting(董相廷),LIU Li(刘莉),WANGm—Xian(王进贤),LIU Gui—Xia(刘桂霞).Chem.J.Chinese Universities(高等 学校化学学报)[J],2010,31(1):20—25 [16] LI Yue-Jun(李跃军),CAO Tie—Ping(曹铁平),SUN Xin—Li(孙新丽),SHAO Chang—Lu(邵长路).Chem.J.Chinese Universities(高 等学校化学学报)[J],2010,31(1):16—19 [17] HUANG Hui—Min(黄绘敏),LI Zhen—Yu(李振宇),YANG Fan(杨帆),WANG Wei(王威),WANG Ce(王策).Chem.J.Chinese Universities(高等学校化学学报)[J],2007,28(6):1200--1202 [18] JI Hong—Wei(季宏伟),ZHOU De-Feng(周德风),ZHOU Xian-Feng(周险峰),LIU Hai—Tao(刘海涛),MENG Jian(孟健).Chem. 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Keywords Electrospinning;LaCrO4;LaCrO3;Nanobelt;Photocatalysis (Ed.:M,G)