TiO2纳米管的化学修饰及其抗菌净化性能研究

摘要

随着人类生活质量的提高，环境污染、能源短缺和食品安全等问题日益受到广泛关注。开发高效无污染的抗菌自清洁材料，利用环境友好的光催化技术解决环境问题，已经成为全球研究的热点。TiO2作为具有光催化功能的无毒自清洁材料，因其特殊的光电和催化性质，以及氧化能力强、活性高、抗菌效果好、热稳定性好、长期有效和价格低等优点，广泛应用于光催化杀菌、水质和空气净化、自洁净、光电池和储氢材料等领域。但由于TiO2太阳光利用率低，粉体难以回收等缺陷，限制了其在实际中的应用，当前高活性纳米TiO2的制备和固载是解决TiO2缺陷的有效途径。本文通过电化学阳极氧化法，以钛片为基底成功制备了管径均匀，膜层较厚，与基底结合牢固的TiO2纳米管薄膜，实现了纳米TiO2的固载，通过浸渍-沉积法使半导体与TiO2纳米管复合，提高了纳米TiO2的活性。通过XRD和FESEM对材料的结构晶型及表面形貌进行表征，研究了阳极氧化参数和半导体复合对TiO2纳米管抗菌净化性能的影响。
　　 通过XRD和FESEM表征发现，阳极氧化法制备的TiO2纳米管主要以锐钛矿相存在，在750℃以上高温煅烧锐钛矿相大部分转变为金红石相。FESEM表征显示，在钛片基底上形成了一层厚度达100μm-140μm的TiO2薄膜层，薄膜由管状结构有序排列构成。薄膜表面有许多直径在40nm到60nm之间纳米管孔洞，但管壁遭到破坏。
　　 以初始浓度为10mg/L的甲基橙溶液作为模拟污染物，探讨了阳极氧化工艺条件和材料改性对光催化性能的影响。研究结果表明：阳极氧化过程中，TiO2纳米管薄膜的形成和晶相结构受氧化电压，氧化时间，煅烧温度等多种因素的影响。50V电压阳极氧化1h，经600℃煅烧2h后成功制备了晶化程度良好，膜层厚，管径长，结合牢固的TiO2纳米管薄膜。通过浸泡浓度比为1:1的Zn2+和S2-溶液，浓度比1:1的Ag+和S2-溶液和浓度比为1:2的Ag+和PO43-溶液，分别成功制备了ZnS/TiO2纳米管薄膜、Ag/Ag2S/TiO2纳米管薄膜和Ag/Ag3PO4/TiO2纳米管薄膜。并且，通过半导体复合有效提高了TiO2纳米管的光催化性能，加快了光催化反应速率。
　　 以大肠杆菌作为抗菌对象，分别通过抑菌圈法和平板菌落计数法研究TiO2复合改性前后的抗菌性能。研究结果表明：复合改性前TiO2纳米管基本没有抗菌性能。与ZnS、Ag2S和Ag3PO4复合后，TiO2纳米管的抗菌性得到了较大的改善，表明通过半导体复合达到了增强TiO2纳米管抗菌性能的作用。其中，Ag3PO4对TiO2纳米管的抗菌性能改善效果最大，Ag2S次之，ZnS较小。