活性炭負載摻鐵納米二氧化鈦的制備及性能研究

【摘 "要】首先采用“特殊液相沉淀法”制備鐵摻雜納米二氧化鈦，然后以活性炭為載體，使用“浸漬法”制備了活性炭負載摻鐵納米二氧化鈦光催化劑。通過TEM對其進行表征，結果表明：粉體中粒子的平均粒徑為30nm左右，具有很好的分散性;并且由于活性炭的吸附作用使活性炭負載的摻鐵納米二氧化鈦具有很好的催化效果，二者比例為1：1時活性炭負載的催化劑在40min時對10mg/L的工業模擬廢水250mL甲基橙溶液可以全部降解。

【關鍵詞】特殊液相沉淀法;鐵摻雜二氧化鈦;活性炭;光催化

二氧化鈦作為光催化劑廣泛應用于化妝品、涂料、油漆等等方面，然而由于其作為半導體存在一些如禁帶較寬等缺點，導致可見光利用率低、光量子效率不高、催化降解率低等問題，這些一直作為研究的難點被廣泛關注[1-4]。為了解決上述這些問題，本實驗首先用“特殊液相沉淀法[5]制備鐵摻雜納米TiO2，然后以活性炭為載體，使用“浸漬法”制備了活性炭負載鐵摻雜納米二氧化鈦光催化劑。異相摻雜光催化降解有機物以其速度快、無選擇性、深度氧化完全、能充分利用廉價太陽光和空氣的氧分子等優點解決了以上問題，特別是以活性炭為載體增加了催化劑附近有機污染物濃度，加快反應速度，同時還可以提高回收率。

1.實驗部分

1.1 "實驗儀器及藥品

儀器：PHICTPS--EM420型透射電鏡。日本理學（RIGAKU）D/MAX--2500PC型X型射線衍射儀。上海申生科技有限公司W201-S恒溫浴鍋;荷蘭飛利浦科技有限公司電子透射顯微鏡;沈陽市工業電爐廠制造KSY--12型電爐。

藥品：四氯化鈦，分析純，廣東汕頭西隴化工廠。氯化鐵，分析純，上海金山化工廠。氨水，優級純，質量分數27%，北京化工廠。無水乙醇，優級純，含量99.8% "北京化工廠。活性炭，市售。正戊醇，分析純，北京化工廠。

1.2 實驗步驟

1.2.1活性炭的預處理

對購買的活性炭在使用之前需對其進行簡單的預處理，既能增加其吸附的效果，又能去除活性炭本身的灰分。首先稱取一定質量的活性炭，用適量的去離子水進行清洗，去除表面的雜質，然后置于0.1mol/L的鹽酸溶液中浸泡，靜置24h后過濾，用去離子水調制至中性，烘干，最后研磨成粉，用50目的篩網過濾，待用。

1.2.2摻鐵納米二氧化鈦粉體的制備

在室溫下準確量取氨水135mL，乙醇100mL，倒入500mL容量瓶中，加去離子水定容后放置電磁攪拌器上攪拌10min，制得B液待用;按著摻雜比例準確量取四氯化鈦溶液65mL，氧化鐵溶液5mL，乙醇100mL，倒入500mL容量瓶中，加去離子水定容后放置電磁攪拌器上攪拌10min，制得A液待用;打開自制反應器，同時快速將A液、B液倒入其中，過程中通過調節二者流量，一直保持反應液PH值為9;靜置反應生成的沉淀10min，，然后倒入布氏漏斗中，用去離子水過濾至上層清液中無氯離子（即沉淀中無氯離子）為止;將沉淀移至旋轉蒸發器中，加入正戊醇浸沒沉淀，進行共沸蒸餾直至成粉末;最后放入馬弗爐中在600℃的溫度下焙燒30min，得到鐵摻雜納米TiO2。

1.2.3 活性炭負載摻鐵納米二氧化鈦的制備

在二氧化鈦的水溶液中加入處理后的活性炭，摻雜的TiO2粉體和活性炭粉體按照3：1、2：1、1：1、1：2、1：3 的比例進行混合，放在攪拌器上攪拌3h，實驗中發現活性炭剛加入時，溶液中有大量氣泡出現，隨后氣泡逐漸減少，1-2h趨于穩定。然后將混合溶液過濾，放入干燥箱里在150℃下干燥得到活性炭負載的摻雜納米TiO2光催化劑。

1.2.4光催化實驗

室溫下，配制質量濃度為10mg/L的工業模擬廢水——甲基橙溶液，量取250mL該溶液倒入洗凈的燒杯中，稱取一定質量的自制樣品放入燒杯中，在電子無極調速器上攪拌。在陽光照射下每隔10min取樣品一次，在離心機中分離5min，取上層清液在比色皿中，放入分光光度計檢測其吸光度，并計算光催化降解率η=（A0—At）/A0，其中A0、At分別為降解前后的吸光度。

2.結果與分析

2.1 TEM分析

（a）TiO2 " " " " " " nbsp; " " " （b）AC/ Fe-doped TiO2=1：1

（c）AC/ Fe-doped TiO2=2：1 " " " "（d）AC/ Fe-doped TiO2=3：1

圖1 "AC AC/ Fe-doped TiO2納米粉體的TEM圖譜

Fig.1 The TEM photo of AC/ AC/ Fe-doped TiO2 nanometer powders

圖1為活性炭負載后的摻鐵納米TiO2粉體的TEM圖，可以看出純TiO2粉體粒子小于負載后的摻雜納米TiO2粉體的粒子;無論何種負載比例的納米粉體，其納米粒子粒徑分布范圍都比較窄且均勻，負載后的粉體平均粒徑為30nm左右，并且具有很好的分散性，雖然顆粒之間有團聚但是有明顯的界限，為軟團聚。

2.2光催化活性分析

圖2 不同樣品對光催化降解甲基橙的影響

Fig.2 The influence of different sample photocatalytic degradation to methylene orange

從圖2 可以看出，活性炭負載后的摻雜納米二氧化鈦催化劑催化活性最好，在本實驗范圍內，對質量濃度為10mg/L的甲基橙溶液250mL，在400min內降解率高達100%。原因可以解釋為——在二氧化鈦半導體中摻入一定比例的鐵離子，產生一個受主能級，可以降低禁帶寬度，提高對可見光的響應，另外摻入的鐵離子引發其晶格畸變，可以抑制光生電子-空穴對的復合，有助于提高催化活性，另外在活性炭和摻雜的的二氧化鈦以合適的比例復合制得催化劑，活性炭的吸附作用和摻鐵納米二氧化鈦較強光催化降解能力起到最好的協同作用，使催化劑的可見光降解率達到最高。

3.結論

本實驗通過“特殊液相沉淀法”和“浸漬法”制得活性炭負載摻鐵納米二氧化鈦粉體，具有較好的分散性，平均粒徑為30nm左右，通過可見光降解甲基橙溶液表明其具有很好的催化活性，二者比例為1：1的活性炭負載的負載摻鐵納米二氧化鈦催化劑，在40min時對250mL 質量濃度為10mg/L的工業模擬廢水甲基橙溶液全部降解。

參考文獻：

[1]. 楊東潔，姚書林，魏玉君， 等.納米TiO2分散料漿的制備方法研究[J].四川師范大學學報（自然科學版），2011， 34（2）.2-4.

[2]吳晶，高攀，朱忠其，等.鐠和氮共摻雜納米TiO2的制備與性能[J].中國有色金屬學報，2011，21（6）：1481-1485.

[3] 魯良潔，李竟先. 納米二氧化鈦表面改性與應用研究進展[J].無機鹽工業，2007，（10）：1-4.

[4]Dinegar R. Theory production and mechanism of formation of monodispersed hydrosols[J]. Amer Chem Soc， 1950， 72（11）： 4847-4851.

[5]王開明，溫傳庚，周英彥，等.納米氧化鋁粉體的特殊液相沉淀法制備[J]，金屬功能材料，2005，12 （1）：13--15.

注：基金項目：國家自然科學基金資助項目（50272002、50372001）;國家科技部863計劃項目（2003AA302130）。