可见光响应Ag/ZnO纳米纤维制备及性能研究INTRODUCTION:

可见光响应Ag/ZnO纳米纤维制备及性能研究<br>INTRODUCTION:21世纪主要是以科技为基础的新时代，在众多新技术的发展中，新材料被赋予最主要的地位，是动力，是支柱，是先导。尤其是半导体材料工业，它是半个多世纪发展起来的新兴产业。其中半导体纳米薄膜材料被认为是最有发展前景的光电子信息材料。目前，各大城市渐渐扩张、农业上人们过度使用农药、复合肥等作料、印染厂污水的过度排放。这些现状的日积月累，致使江河湖泊等水资源不断的遭受到污染，为了人类的生存，我们必须控制污染、保护环境，在源头遏制水污染。其中，最为关键和普遍的污染是化学方面的。因而，我们需要对各种化学带来的水污染进行深入分析和治理，着力开发不仅效率高而且经济的水污染处理技术。<br>物理吸附、生物降解和高温焚烧等方法是目前使用最多的污水处理方法，然而这几种方法有的效率低，无法将污染物彻底净化，会产生再次污染；有的运用范围窄，只适合于某些指定的污染物；有的能耗高，无法普及。鉴于这些原因，追求高效、低耗、大范围和有彻底净化能力的技术成为现在整个社会的目标。在这种环境下，光催化技术开始渐渐地受人关注并且逐步发展起来。<br>静电纺丝是目前最直接有效的制备纳米纤维的工艺方法，是可以生产出具有非常大表面积/体积比的纳米纤维/纳米纤维网的简单而通用的技术，纳米纤维/纳米纤维网在很多领域都非常的适用，包括传感器、生物医学、医药控制、生物技术、纺织品等领域。这些年来，一些研究纳米技术方面的学者主要的方向是制造具有多功能的纳米纤维材料，由于其特殊的性质，可以满足社会发展的需求。其一，在基本领域中，纳米材料有着不凡的研究价值。其二，这些纳米材料具有多功能性，在化工、生物学、医学以及环保等领域具有广泛的应用。简而言之，将一些具有特殊性质的金属填充在基质上，即可制成有特殊用途的纳米材料。目前，纳米薄膜主要在硬质衬底上制备，例如玻璃。相比于玻璃等硬质材料，在柔软性较好的衬底上制备薄膜却有着更好的效果，具有柔软、轻盈，容易折叠等优点。氧化铟锡薄膜目前研究最多，不过ITO经济成本较高，且有毒，不适合推广。而氧化锌价格低、来源广、获取容易，并且无毒，在某些环境下有着较好的稳定性，可以替代ITO。考虑到半导体材料特殊的物化性能，半导体光催化剂有望成为高效处理污染物的材料，并且对环境无害，绿色环保，符合社会发展。一直到现在，光催化在环境保护等方面备受关注。光催化技术的原理是将污染物化学降解成水和二氧化碳，并且其耗能低、分解速率快、高效且不存在二次污染。氧化锌（ZnO）无毒害、资源广泛，并且价格低廉，是光催化首选的材料之一。ZnO 纳米薄膜在紫外光的照射下，其具有光催化活性，将污染物彻底分解为二氧化碳、水和无毒的物质。但是ZnO 也有缺点，它只能吸收波长短的紫外光,需要人为增加 ZnO 的吸收范围, 增加对光的吸收率，提高其光催化活性。<br>本文旨在以静电纺丝技术，在纳米半导体表面沉积金属，以达到拓展Zn0光吸收范围的目的，增强了对波长较长的可见光的吸收，提高了光催化活性，并通过扫描电子显微镜（SEM）对样品的晶体、分子结构以及形貌进行了分析表征。采用紫外-可见固体漫反射光谱（DRS）对Ag/ZnO的光学性能进行表征。<br>RATIONALE:静电纺丝实质上是在静电场中，带电的液体通过管口流出，制备极其纤细的纤维，也叫作电纺。在电纺的过程中，在液体中存在高伏的电压，使得针管尖头和接收装置间形成强大的力。由于这个电场力施加在液体上，从而产生电流。同性相斥致使电场力与液体表面张力的方向不同。如此在电场力施加于液体的表面时，对于液滴，将产生一个向外的力，这个反向的力和表面张力的方向相异。若电场力和液体的界面张力数值一致，液滴就静止在针管的末端，处于平衡。当电场力不断增大，针管末端原本球状的液滴渐渐拉伸成圆锥状，等电场强度增加至某个界限值时，电场力克服液体做功，从锥中喷出。由于震荡速度高，喷射的流体即被拉细，溶剂也随即挥发，最终形成纤维，其直径仅纳米级别，随机分布在收集面板上。整个装置包括：电源, 储存,、喷射和收集装置。<br>RESULTS:<br>Ag-ZnO纳米结构膜的制备<br>1、通过静电纺丝制备Ag/ZnO纳米纤维膜基体。<br>（1）将0.46g醋酸锌、0.46g醋酸银和1.4gPVDF-HFP混合（配料比1/1/3），配制5gDMF、5g丙酮作为溶剂，磁力搅拌3-4个小时。<br>（2）针管吸取适量搅拌液，运用静电纺丝技术，制备Ag/ZnO纳米纤维膜基体，纺丝时间4-5个小时。<br>（3）用镊子将纺好的膜从锡箔纸上撕下，保存。<br>2、热反应生长Ag/ZnO种子。<br>将Ag/ZnO纳米纤维膜置于烘箱，烘箱中放置400ml水保持湿度，烘箱处理（120℃，20h），取出保存。<br>3、水热法生长Ag/ZnO晶体。<br>在水热生长的实验中，为了进一步研究晶体在纳米纤维膜上的生长情况以及影响晶体生长的外在环境等因素，我们分别对水热生长的时间以及水热生长的温度这两个变量进行控制变量实验。对于水热生长的时间，作15h、20h以及30h的三组实验；对于水热生长的温度，作100℃、110℃以及120℃的三组实验。通过在不同时间相同温度以及不同温度相同时间的实验结果对比，得出结论。<br>CONCLUSION:通过本实验的结果可知，采用静电纺丝技术，制备了 Ag/ZnO 的纳米纤维膜。制备出的纳米纤维膜可以用于污水处理，处理效率高，并且便于回收，可以反复使用。研究表明，Ag金属的加入能明显的提高 ZnO 的活性，加大了对可见光的吸收范围，也即证明了本课题的可行性，值得我们深入探究。同时通过实验的时间变量作出的实验数据进行对照，我们发现，在水热生长Ag/ZnO纳米纤维膜晶体的处理中，时间过长（30h）会使晶体生长过于密集，不利于对光的吸收；时间过短（15h）会使得晶体生长太少，无法分布在纤维表面，也达不到我们最终的目的。三组数据表明，水热生长的温度控制在100℃，时间为20h为最佳的反应条件，制备出的纳米薄膜能有效地处理污水。<br>另外，在Ag/Zn0纳米结构纤维膜中，由于加入了Ag单质，改变了ZnO的晶体结构、光吸收性以及分子形貌等方面，从而影响其活性和光催化性能；在光照射条件下，Ag/Zn0的催化性能纯Zn0要好的多，充分说明了在软性底质材料上掺入一定的重金属是可以实现对污水的高效无污染的处理。而且，薄膜呈现晶体构造，在可见光范围里有较高的光穿透能力。负载贵金属Ag可以加强ZnO的可见光吸收能力，拓展了ZnO的光吸收范围，提高光催化氧化活性，可使有机物分解为二氧化碳、水和对环境无污染的物质，达到了本实验最终要求。<br>通过对光催化技术的不断研究，总有一天，这项技术可以在诸如污水处理等环境保护领域有着更大的作用。

可见光响应Ag/ZnO纳米纤维制备及性能研究<br>INTRODUCTION:21世纪主要是以科技为基础的新时代，在众多新技术的发展中，新材料被赋予最主要的地位，是动力，是支柱，是先导。 尤其是半导体材料工业，它是半个多世纪发展起来的新兴产业。 其中半导体纳米薄膜材料被认为是最有发展前景的光电子信息材料。 目前，各大城市渐渐扩张、农业上人们过度使用农药、复合肥等作料、印染厂污水的过度排放。 这些现状的日积月累，致使江河湖泊等水资源不断的遭受到污染，为了人类的生存，我们必须控制污染、保护环境，在源头遏制水污染。 其中，最为关键和普遍的污染是化学方面的。 因而，我们需要对各种化学带来的水污染进行深入分析和治理，着力开发不仅效率高而且经济的水污染处理技术。<br>物理吸附、生物降解和高温焚烧等方法是目前使用最多的污水处理方法，然而这几种方法有的效率低，无法将污染物彻底净化，会产生再次污染；有的运用范围窄，只适合于某些指定的污染物；有的能耗高，无法普及。 鉴于这些原因，追求高效、低耗、大范围和有彻底净化能力的技术成为现在整个社会的目标。 在这种环境下，光催化技术开始渐渐地受人关注并且逐步发展起来。<br>静电纺丝是目前最直接有效的制备纳米纤维的工艺方法，是可以生产出具有非常大表面积/体积比的纳米纤维/纳米纤维网的简单而通用的技术，纳米纤维/纳米纤维网在很多领域都非常的适用，包括传感器、生物医学、医药控制、生物技术、 纺织品等领域。 这些年来，一些研究纳米技术方面的学者主要的方向是制造具有多功能的纳米纤维材料，由于其特殊的性质，可以满足社会发展的需求。 其一，在基本领域中，纳米材料有着不凡的研究价值。 其二，这些纳米材料具有多功能性，在化工、生物学、医学以及环保等领域具有广泛的应用。 简而言之，将一些具有特殊性质的金属填充在基质上，即可制成有特殊用途的纳米材料。 目前，纳米薄膜主要在硬质衬底上制备，例如玻璃。 相比于玻璃等硬质材料，在柔软性较好的衬底上制备薄膜却有着更好的效果，具有柔软、轻盈，容易折叠等优点。 氧化铟锡薄膜目前研究最多，不过ITO经济成本较高，且有毒，不适合推广。 而氧化锌价格低、来源广、获取容易，并且无毒，在某些环境下有着较好的稳定性，可以替代ITO。 考虑到半导体材料特殊的物化性能，半导体光催化剂有望成为高效处理污染物的材料，并且对环境无害，绿色环保，符合社会发展。 一直到现在，光催化在环境保护等方面备受关注。 光催化技术的原理是将污染物化学降解成水和二氧化碳，并且其耗能低、分解速率快、高效且不存在二次污染。 氧化锌（ZnO）无毒害、资源广泛，并且价格低廉，是光催化首选的材料之一。 ZnO 纳米薄膜在紫外光的照射下，其具有光催化活性，将污染物彻底分解为二氧化碳、水和无毒的物质。 但是ZnO 也有缺点，它只能吸收波长短的紫外光,需要人为增加 ZnO 的吸收范围, 增加对光的吸收率，提高其光催化活性。<br>本文旨在以静电纺丝技术，在纳米半导体表面沉积金属，以达到拓展Zn0光吸收范围的目的，增强了对波长较长的可见光的吸收，提高了光催化活性，并通过扫描电子显微镜（SEM）对样品的晶体、分子结构以及形貌进行了分析表征。 采用紫外-可见固体漫反射光谱（DRS）对Ag/ZnO的光学性能进行表征。<br>RATIONALE:静电纺丝实质上是在静电场中，带电的液体通过管口流出，制备极其纤细的纤维，也叫作电纺。 在电纺的过程中，在液体中存在高伏的电压，使得针管尖头和接收装置间形成强大的力。 由于这个电场力施加在液体上，从而产生电流。 同性相斥致使电场力与液体表面张力的方向不同。 如此在电场力施加于液体的表面时，对于液滴，将产生一个向外的力，这个反向的力和表面张力的方向相异。 若电场力和液体的界面张力数值一致，液滴就静止在针管的末端，处于平衡。 当电场力不断增大，针管末端原本球状的液滴渐渐拉伸成圆锥状，等电场强度增加至某个界限值时，电场力克服液体做功，从锥中喷出。 由于震荡速度高，喷射的流体即被拉细，溶剂也随即挥发，最终形成纤维，其直径仅纳米级别，随机分布在收集面板上。 整个装置包括：电源, 储存,、喷射和收集装置。<br>RESULTS:<br>Ag-ZnO纳米结构膜的制备<br>1、通过静电纺丝制备Ag/ZnO纳米纤维膜基体。<br>（1）将0.46g醋酸锌、0.46g醋酸银和1.4gPVDF-HFP混合（配料比1/1/3），配制5gDMF、5g丙酮作为溶剂，磁力搅拌3-4个小时。<br>（2）针管吸取适量搅拌液，运用静电纺丝技术，制备Ag/ZnO纳米纤维膜基体，纺丝时间4-5个小时。<br>（3）用镊子将纺好的膜从锡箔纸上撕下，保存。<br>2、热反应生长Ag/ZnO种子。<br>将Ag/ZnO纳米纤维膜置于烘箱，烘箱中放置400ml水保持湿度，烘箱处理（120℃，20h），取出保存。<br>3、水热法生长Ag/ZnO晶体。<br>在水热生长的实验中，为了进一步研究晶体在纳米纤维膜上的生长情况以及影响晶体生长的外在环境等因素，我们分别对水热生长的时间以及水热生长的温度这两个变量进行控制变量实验。 对于水热生长的时间，作15h、20h以及30h的三组实验；对于水热生长的温度，作100℃、110℃以及120℃的三组实验。 通过在不同时间相同温度以及不同温度相同时间的实验结果对比，得出结论。<br>CONCLUSION:通过本实验的结果可知，采用静电纺丝技术，制备了 Ag/ZnO 的纳米纤维膜。 制备出的纳米纤维膜可以用于污水处理，处理效率高，并且便于回收，可以反复使用。 研究表明，Ag金属的加入能明显的提高 ZnO 的活性，加大了对可见光的吸收范围，也即证明了本课题的可行性，值得我们深入探究。 同时通过实验的时间变量作出的实验数据进行对照，我们发现，在水热生长Ag/ZnO纳米纤维膜晶体的处理中，时间过长（30h）会使晶体生长过于密集，不利于对光的吸收；时间过短（15h）会使得晶体生长太少，无法分布在纤维表面， 也达不到我们最终的目的。 三组数据表明，水热生长的温度控制在100℃，时间为20h为最佳的反应条件，制备出的纳米薄膜能有效地处理污水。<br>另外，在Ag/Zn0纳米结构纤维膜中，由于加入了Ag单质，改变了ZnO的晶体结构、光吸收性以及分子形貌等方面，从而影响其活性和光催化性能；在光照射条件下，Ag/Zn0的催化性能纯Zn0要好的多， 充分说明了在软性底质材料上掺入一定的重金属是可以实现对污水的高效无污染的处理。 而且，薄膜呈现晶体构造，在可见光范围里有较高的光穿透能力。 负载贵金属Ag可以加强ZnO的可见光吸收能力，拓展了ZnO的光吸收范围，提高光催化氧化活性，可使有机物分解为二氧化碳、水和对环境无污染的物质，达到了本实验最终要求。<br>通过对光催化技术的不断研究，总有一天，这项技术可以在诸如污水处理等环境保护领域有着更大的作用。

Preparation and properties of visible light responsive Ag / ZnO nanofibers<br>Integration: the 21st century is mainly a new era based on science and technology. In the development of many new technologies, new materials are given the most important position, which is the driving force, the pillar and the leader. In particular, semiconductor material industry is a new industry developed in more than half a century. Among them, semiconductor nano film materials are considered to be the most promising optoelectronic information materials. At present, cities are gradually expanding, people in agriculture are overusing pesticides, compound fertilizers and other ingredients, and excessive discharge of printing and dyeing wastewater. With the accumulation of these situations, water resources such as rivers and lakes are constantly polluted. In order to survive, we must control pollution, protect the environment and curb water pollution at the source. Among them, the most critical and common pollution is chemical. Therefore, we need to conduct in-depth analysis and treatment of water pollution caused by various chemicals, and strive to develop water pollution treatment technologies that are not only efficient but also economical.<br>At present, physical adsorption, biodegradation and high-temperature incineration are the most widely used sewage treatment methods. However, some of these methods are inefficient, unable to completely purify the pollutants, and will cause re pollution; some of them are narrow in scope of application, only suitable for some specified pollutants; some of them are high in energy consumption, unable to be popularized. In view of these reasons, the pursuit of efficient, low consumption, large-scale and thorough purification technology has become the goal of the whole society. In this environment, photocatalysis technology began to attract people's attention and gradually developed.<br>Electrospinning is the most direct and effective process for the preparation of nanofibers. It is a simple and universal technology that can produce Nanofibers / nanofiber nets with very large surface area / volume ratio. Nanofibers / nanofiber nets are very applicable in many fields, including sensors, biomedicine, pharmaceutical control, biotechnology, textiles and other fields. In recent years, the main direction of some researchers in nanotechnology is to manufacture multifunctional nanofiber materials, which can meet the needs of social development due to their special properties. First, in the basic field, nanomaterials have great research value. Secondly, these nano materials have multi-functional, and are widely used in chemical, biological, medical and environmental protection fields. In short, nano materials with special applications can be made by filling some metals with special properties on the substrate. At present, nano films are mainly prepared on hard substrates, such as glass. Compared with hard materials such as glass, the thin film prepared on the soft substrate has a better effect, with the advantages of softness, lightness and easy folding. At present, indium tin oxide thin films have been studied most, but ITO is not suitable for popularization because of its high cost and toxicity. However, zinc oxide has the advantages of low price, wide source, easy to obtain and non-toxic. It has good stability in some environments and can replace ITO. Considering the special physical and chemical properties of semiconductor materials, semiconductor photocatalyst is expected to become a material for efficient treatment of pollutants, which is harmless to the environment, green and in line with social development. Up to now, photocatalysis has attracted more and more attention in environmental protection. The principle of photocatalytic technology is to degrade pollutants into water and carbon dioxide, and its energy consumption is low, decomposition rate is fast, high efficiency and there is no secondary pollution. Zinc oxide (ZnO) is one of the preferred materials for photocatalysis because it has no toxicity, wide resources and low price. Under UV irradiation, ZnO nano film has photocatalytic activity and decomposes pollutants into carbon dioxide, water and non-toxic substances. However, ZnO has some disadvantages. It can only absorb ultraviolet light with short wavelength. It needs to increase the absorption range of ZnO artificially, increase the absorption rate of light and improve its photocatalytic activity.<br>The purpose of this paper is to deposit metal on the surface of nano semiconductors by electrospinning technology, so as to expand the absorption range of Zn0, enhance the absorption of visible light with longer wavelength, improve the photocatalytic activity, and analyze and characterize the crystal, molecular structure and morphology of the samples by scanning electron microscope (SEM). The optical properties of Ag / ZnO were characterized by UV-Vis solid diffuse reflectance spectroscopy (DRS).<br>Rationale: electrospinning is essentially in the electrostatic field, the charged liquid flows out through the nozzle to prepare extremely fine fibers, also known as electrospinning. In the process of electrospinning, there is a high voltage in the liquid, which makes a strong force between the needle tip and the receiving device. Because this electric field force is applied to the liquid, an electric current is generated. The same repulsion results in different directions of electric field force and liquid surface tension. So when the electric field force is applied to the surface of the liquid, for the liquid drop, there will be an outward force, which is different from the direction of the surface tension. If the electric field force is the same as the interfacial tension of the liquid, the liquid drop will stay at the end of the needle tube and be in equilibrium. When the electric field force increases, the globular droplets at the end of the needle tube gradually stretch into a cone shape. When the electric field strength increases to a certain limit value, the electric field force overcomes the liquid to do work and ejects from the cone. Because of the high vibration speed, the injected fluid is stretched thin, and the solvent is evaporated immediately, finally forming a fiber, whose diameter is only nanometer level, which is randomly distributed on the collection panel. The whole device includes: power supply, storage, injection and collection device.<br>RESULTS:<br>Preparation of Ag ZnO nanostructured films<br>1. Ag / ZnO nanofiber membrane matrix was prepared by electrospinning.<br>