多尺度结构Ag/PA6纳米纤维膜的制备及其催化性能

doi:10.1016/S1872-2067(16)62545-7

催化学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (1): 73-82.DOI: 10.1016/S1872-2067(16)62545-7

多尺度结构Ag/PA6纳米纤维膜的制备及其催化性能

赵卉卉^a, 康卫民^a,b, 马晓敏^a, 邓南平^a, 厉宗洁^a, 程博闻^a,b

a 天津工业大学纺织学院, 天津 300387;
b 天津工业大学分离膜与膜过程国家重点实验室, 天津 300387

收稿日期:2016-08-05 修回日期:2016-08-29 出版日期:2017-01-18 发布日期:2017-01-18
通讯作者: Weimin Kang,Tel:+86-13920486699;E-mail:kweimin@126.com;Bowen Cheng,Tel:+86-13802163663;E-mail:bowen15@tjpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金（51673148）；国家重点基础研究发展计划（2014CB660813）；国家科技支撑计划（2015BAE01B03）；中国技术创新基金（14C26211200298）；天津技术创新基金（14TXGCCX00014，14ZXCXGX00776）.

Fabrication and catalytic behavior of hierarchically-structured nylon 6 nanofiber membrane decorated with silver nanoparticles

Huihui Zhao^a, Weimin Kang^a,b, Xiaomin Ma^a, Nanping Deng^a, Zongjie Li^a, Bowen Cheng^a,b

a College of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China;
b State Key Laboratory of Separation Membranes and Membrane Processes, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China

Received:2016-08-05 Revised:2016-08-29 Online:2017-01-18 Published:2017-01-18
Contact: Weimin Kang,Tel:+86-13920486699;E-mail:kweimin@126.com;Bowen Cheng,Tel:+86-13802163663;E-mail:bowen15@tjpu.edu.cn
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51673148), National Basic Research Program of China (2014CB660813), National Key Technology Support Program (2015BAE01B03), Innovation Fund for Technology of China (14C26211200298), and Innovation Fund for Technology of Tianjin (14TXGCCX00014,14ZXCXGX00776).

摘要/Abstract

摘要：

随着工业的进步，废水处理特别是印染废水的处理成为亟待解决的问题.银纳米粒子因其特殊的物理化学性能而表现出催化活性，但银纳米粒子的团聚限制了其使用，所以出现了一系列新的载体材料，如微球、薄膜和纤维等.其中电纺纳米纤维由于具有高比表面积，作为载体材料具有非常大的优势，而将常规电纺纳米纤维作为载体也已有报道.但是，将具有更高比表面积的电纺纳米纤维作为载体，特别是一种类似于树枝状结构的多尺度纳米纤维作为载体还鲜有报道.
本文制备了一种多尺度结构的PA6纳米纤维膜，该纳米纤维膜由直径为50-120 nm的主纤维和10-50 nm的分支纤维构成；由于分支纤维的出现，多尺度结构纳米纤维膜的比表面积得到了提高，可以为银纳米粒子的负载提供更多附着位点.制备的多尺度结构纳米纤维膜通过银胶溶液浸渍成功地负载银纳米粒子，对制备的纳米纤维膜的形态、化学结构以及对亚甲基蓝的催化性能进行了探讨.
SEM，EDS和TEM结果表明，银纳米粒子成功地负载在多尺度结构纳米纤维的表面，并且银纳米粒子的粒径以及负载量可以通过变换银胶溶液的浓度合理调控.此外，与常规PA6纳米纤维膜相比，多尺度结构纳米纤维膜更有利于银纳米粒子的分散，同样通过银胶溶液A浸渍，负载在多尺度结构纳米纤维上银纳米粒子粒径为8.6 nm，而负载在普通PA6纳米纤维上银纳米粒子粒径为11.2 nm.
XPS分析表明，银纳米粒子成功地负载到多尺度结构纳米纤维上，并且经不同银胶溶液处理，纳米纤维膜的载银量不同.通过O的高能XPS分析发现，银纳米粒子与PA6分子间形成了配位键，这在一定程度上有利于Ag纳米粒子的固定，阻止了Ag纳米粒子的团聚.
Ag/PA6纳米纤维膜以及多尺度结构Ag/PA6纳米纤维膜催化降解实验表明，多尺度结构Ag/PA6纳米纤维膜具有较高的催化活性，反应2 h后对10 mg/L亚甲基蓝的降解率达到98.13%，并且降解过程符合伪一级动力学.不同浸渍液浓度处理纳米纤维膜催化实验表明，Ag纳米粒子的大小以及含量都会影响纳米纤维的催化活性，纳米粒子粒径越小，其催化活性越高；不同NaBH₄加入量催化体系催化实验表明，随着NaBH₄加入量的增大，催化体系的降解率增高，其对催化体系的催化性能起着至关重要的作用；其他条件一定，随着染料初始浓度的增大，催化体系的催化性能下降；循环实验表明，经5次循环之后，其降解率仍高达83.5%，该纳米纤维膜具有一定的循环使用性能.

关键词: 静电纺, 多尺度结构, 银纳米粒子, PA6纳米纤维膜, 催化

Abstract:

A hierarchically-structured nylon 6 (PA6) nanofiber membrane decorated with silver nanoparticles (Ag NPs) was fabricated by electrospinning and impregnation methods. The as-fabricated hierar-chically-structured Ag/PA6 nanofiber membrane (HS-Ag/PA6 NM) exhibits a morphology in which Ag NPs are deposited on the surfaces of both thick fibers and thin fibers. The content and size of the Ag NPs can be controlled by varying the concentration of the silver colloid solution. Compared with the non-hierarchically-structured Ag/PA6 nanofiber membrane, HS-Ag/PA6 NM has a higher spe-cific surface area and exhibits a higher degradation rate for methylene blue of 81.8%-98.1% within 2 h. HS-Ag/PA6 NM can be easily recycled and exhibits good reusability. It retains a degradation rate for methylene blue of 83.5% after five consecutive cycles. The hierarchically-structured nano-fiber membrane is therefore a potential nanocatalyst.

Key words: Electrospinning, Hierarchical structure, Ag nanoparticle, PA6 nanofiber membrane, Catalysis

赵卉卉, 康卫民, 马晓敏, 邓南平, 厉宗洁, 程博闻. 多尺度结构Ag/PA6纳米纤维膜的制备及其催化性能[J]. 催化学报, 2017, 38(1): 73-82.

Huihui Zhao, Weimin Kang, Xiaomin Ma, Nanping Deng, Zongjie Li, Bowen Cheng. Fabrication and catalytic behavior of hierarchically-structured nylon 6 nanofiber membrane decorated with silver nanoparticles[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(1): 73-82.

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Fabrication and catalytic behavior of hierarchically-structured nylon 6 nanofiber membrane decorated with silver nanoparticles

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