H3PW12O40TiO2/膨潤土光催化降解

張琳葉等

摘要：

通過溶膠凝膠制得H3PW12O40Ti（OH）4凝膠，并柱撐于膨潤土層間制備了復合光催化劑H3PW12O40TiO2/膨潤土。由XRD、SEM、EDS對制備的復合光催化劑進行表征測試表明，固載的H3PW12O40TiO2使膨潤土層狀結構發(fā)生明顯變化，柱撐體H3PW12O40TiO2呈彌散狀態(tài)，且TiO2為銳鈦結構，催化劑為顆粒粒徑大小不一、分布松散的復合材料。對甲基橙的H3PW12O40TiO2/膨潤土光催化降解應用表明，摻雜的雜多酸使所制備的復合催化劑光催化活性得到了極大提高，在光催化體系下有較廣的pH適應范圍，且制備的催化劑具有良好的催化穩(wěn)定性。在表征分析及應用實驗的基礎上，提出了H3PW12O40TiO2/膨潤土的強化催化作用原理。

關鍵詞：

膨潤土；磷鎢酸；TiO2；光催化；甲基橙

半導體TiO2作為非均相光催化劑，廣泛的應用于廢水中各類有機污染物的光催化降解[13]。但是粉末TiO2光催化在處理廢水劑的實際應用中仍存在一些問題，如TiO2易于流失、難于分離回收等。這些問題通過TiO2的有效固載，制備復合催化材料得以克服[48]。膨潤土是一種硅酸鹽粘土礦物，具有TOT型的層狀結構，因其獨特的結構特性與優(yōu)良的物化性能，廣泛用做催化劑載體與吸附劑[910]。由膨潤土固載光活性組分TiO2所制備的TiO2/膨潤土催化劑能夠提高TiO2的應用性能[1113]。

然而，單一光活性組分TiO2的催化劑在光利用效率和活性上仍存在一定的缺陷，具體表現為TiO2的光量子效率低[14]，針對此缺陷開展有效降低光生電子空穴對復合率的新方法，是提高催化劑光量子效率的有效措施。雜多酸是由中心雜原子與配位原子通過氧原子橋聯(lián)方式進行空間組合形成的多氧簇金屬配合物，具有氧化還原性和高催化活性[15]，存在HOMOLUMO的能帶隙，可有效的作為光活化TiO2過程中產生的光生電子的存儲轉化體[16]。已有文獻報道了雜多酸/TiO2復合材料的制備及光催化性能實驗，并發(fā)現雜多酸的復合使TiO2的光催化能力得到極大提高[1719]。雖然這些報道提高了TiO2的光催化活性，但此類催化劑仍存在類似于TiO2應用的活性組分不穩(wěn)定、易流失、難分離回收等問題。

張琳葉，等：H3PW12O40TiO2/膨潤土光催化降解甲基橙的催化性能

首先以TiO2與雜多酸H3PW12O40通過溶膠凝膠法制得H3PW12O40Ti（OH）4凝膠交聯(lián)劑，并交聯(lián)柱撐于膨潤土層間制備了復合催化劑H3PW12O40TiO2/膨潤土，在對催化劑表征分析的基礎上，以甲基橙廢水為光催化處理對象考察了H3PW12O40TiO2/膨潤土的光催化性能，探討了復合催化劑H3PW12O40TiO2/膨潤土的強化催化作用原理。

1實驗部分

1.1原料、試劑

膨潤土購于上海試四赫維化工有限公司，經提純后測定其陽離子交換容量（CEC）約為0.6 mmol/g；無水乙醇、鈦酸四丁酯、硝酸、氫氧化鈉、H3PW12O40、甲基橙等試劑均為分析純。

1.2儀器

DF101S集熱式恒溫磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限公司）；UV1201紫外可見分光光度計（北京瑞麗分析儀器公司）；2601型馬弗爐（北京科偉永興儀器有限公司）；UltimaIV X射線衍射儀（日本理學公司）；S3400N掃描電鏡（日本Hitachi公司）。

1.3H3PW12O40TiO2/膨潤土的制備與表征測試

按所制備TiO2與膨潤土質量比為1∶1所需理論量移取鈦酸四丁酯，并置于10 mL無水乙醇中充分攪拌20 min以形成透明的淡黃色溶液。將該溶液逐滴滴加到20 mL HNO3（1 mol/L）和H3PW12O40（含量為TiO2摩爾量的0.5%）的混合液中，劇烈攪拌1.5 h生成透明的溶膠。將溶膠以1 mol/L的NaOH調至pH為1.5形成透明H3PW12O40Ti（OH）4凝膠交聯(lián)劑。將2 g膨潤土以70 mL蒸餾水制漿后攪拌0.5 h再加入到H3PW12O40Ti（OH）4凝膠體系，充分攪拌3 h后進行陳化過夜，最后將陳化物進行離心，水洗直至上清液接近中性，所得混合物于105 ℃烘干后在200℃焙燒2 h，即得H3PW12O40TiO2/膨潤土復合光催化劑，將得H3PW12O40TiO2/膨潤土研磨至0.15 mm備用。

XRD表征測定：在Cu靶、管電壓為40 kV、管電流為40 mA、掃描速度為8 °/min測試條件下，由X射線衍射儀對樣品進行XRD表征測試；SEMEDS測定：用液氮冷卻EDS探針器，把樣品噴金后放入掃描電鏡器中，設加速電壓為20 kV，選擇合適的視域進行拍照，并利用掃描電鏡功能附件能譜儀進行元素能譜分析。

1.4光催化降解甲基橙實驗

將10 mg/L甲基橙廢水置于自制的光催化反應器，并在溶液中投加一定量的H3PW12O40TiO2/膨潤土催化劑，攪拌的同時打開兩ZW15D15WZ303型15 W紫外燈（雪萊特公司）進行光照反應。一定時間后，反應液進行離心后取上清液，用紫外可見光光度計在464 nm波長處測定甲基橙濃度，并按下式計算其去除率（η）。