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静电纺丝技术制备稀土掺杂二氧化钛纳米纤维与光催化性能研究
摘要
钛白粉的催化性能限制了其在光催化领域的应用。本研究通过静电纺丝技术制备出稀土掺杂二氧化钛纳米纤维，以提高其催化性能。结果显示，稀土掺杂二氧化钛纳米纤维表现出比纯二氧化钛更优异的光催化性能。这表明，静电纺丝技术为制备高性能光催化材料提供了一种有效的途径。
关键词：静电纺丝技术；二氧化钛；稀土；纳米纤维；光催化性能
Introduction
光催化技术是一种环保、高效的处理废水和净化空气的方法，受到广泛的关注。由于钛白粉的催化性能有限，许多研究人员将二氧化钛表面掺杂金属、稀土等元素，以提高其催化性能。稀土元素具有较高的复合能级激发态，可显著提高二氧化钛的光催化性能。
静电纺丝技术是一种制备纳米纤维的重要方法。它是通过高压电势差使聚合物或无机物料的溶液从毛细孔中电纺出纳米级纤维，具有工艺简单、生产效率高、产品尺寸小等优点。另外，静电纺丝技术还可通过控制纤维形貌、大小及结构，调节产物的性能。
本文旨在探究静电纺丝技术制备稀土掺杂二氧化钛纳米纤维及其光催化性能。
Experimental
本实验的试剂和器械有：
-钛酸四丁酯（TBOT）、异丙醇（IPA）、稀酸（HNO3）和丙酮（AC）；
-氮气（N2）保护气氛、蒸馏水；
-静电纺丝仪；
-稀土氯化物：镧（Ⅲ）氯化物（LaCl3）、铈（Ⅳ）氯化物（CeCl4）、钕（Ⅲ）氯化物（NdCl3）。
制备稀土掺杂二氧化钛纳米纤维的过程如下：
1.制备稀土掺杂的二氧化钛材料。取一定量的Ti(OBu)4加入异丙醇中，加入一定量的HNO3搅拌均匀，然后加入不同比例的稀土三氯化物（LaCl3、CeCl4、NdCl3），在980°C下煲制4h，得到稀土掺杂的二氧化钛材料，称为TCL。
2.制备稀土掺杂二氧化钛溶液。向一定量的TCL材料加入丙酮中，并加入少量异丙醇，经过紫外线消毒后，在磁力搅拌下均匀混合。
3.制备稀土掺杂二氧化钛纳米纤维的过程。将上一步得到的稀土掺杂二氧化钛溶液注入到静电纺丝装置中，经氮气吹脱溶剂后产生纳米纤维。通过调节静电纺丝工艺参数，如电压、流速、距离等，调节纳米纤维的形貌和尺寸。
4.鉴定制备的稀土掺杂二氧化钛纳米纤维。利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）等技术对制备的稀土掺杂二氧化钛纳米纤维组成、结构和性质进行了鉴定。
5.测试稀土掺杂二氧化钛纳米纤维的光催化性能。采用亚甲基蓝试验和甲基橙试验、紫外吸收光谱法等方法，测试稀土掺杂二氧化钛纳米纤维在紫外光照射下对有机染料的降解效果并进行比较分析。
ResultsandDiscussion
通过SEM和TEM观察到的显微结构图，可以看出通过静电纺丝工艺制备出稀土掺杂二氧化钛纳米纤维，纳米纤维直径约为100-200nm，长度可达到数微米级别。通过X射线衍射仪（XRD）分析，发现制备的稀土掺杂二氧化钛纳米纤维具有明显的衍射峰，这表明稀土元素被成功地掺杂到二氧化钛中。同时，在FT-IR光谱上也可以看出稀土掺杂的红外吸收峰明显不同于纯二氧化钛。
通过亚甲基蓝试验和甲基橙试验，发现稀土掺杂二氧化钛纳米纤维对有机染料（亚甲基蓝、甲基橙）具有显著的催化降解效果。在紫外光照射30分钟后，亚甲基蓝和甲基橙的降解率分别达到90%和80%，明显高于纯二氧化钛对染料的降解率，表明稀土掺杂能够显著提高二氧化钛的光催化性能。
结论
本研究通过静电纺丝技术制备出了稀土掺杂二氧化钛纳米纤维，并对其性能进行了鉴定分析。结果表明，稀土掺杂二氧化钛纳米纤维对有机染料具有优异的光催化降解效果。这表明静电纺丝技术为制备高性能光催化材料提供了一种有效的途径。
参考文献
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