低溫制備TiO2對堿性品紅光催化性能的研究

崔義慧, 唐夢澤, 李玲美, 李光哲

(1. 沈陽師范大學 化學化工學院, 沈陽 110034;2. 沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034)

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低溫制備TiO2對堿性品紅光催化性能的研究

崔義慧1, 唐夢澤1, 李玲美1, 李光哲2

(1. 沈陽師范大學 化學化工學院, 沈陽 110034;2. 沈陽師范大學 生命科學學院, 沈陽 110034)

研究溶膠凝膠法低溫制備TiO2及摻雜型光催化劑。以堿性品紅為模擬降解對象,在不同條件下對堿性品紅進行紫外光催化降解、吸附實驗。分別考察凝膠溫度、加水量、氨水量、不同Si、Fe摻雜量對光催化效果的影響。實驗結果表明,凝膠溫度為70 ℃,鈦水比為1∶32,鈦和氨水比為1∶0.2時,對堿性品紅的降解效果較好;通過Si、Fe摻雜的光催化劑對堿性品紅的降解效果比二氧化鈦的明顯。實驗致力于探索在較低溫度下制備對堿性品紅的可見光吸附和紫外光催化降解效果最好的二氧化鈦的最佳條件。

溶膠凝膠法; 二氧化鈦; 光催化劑; 吸附; 降解

0 引 言

二氧化鈦在當今大部分光催化劑當中相比較來看,其地位是名列前茅的,這是因為它的造價很便宜和容易制得,并且對水體和自然環境的污染較少。目前,國內外對低溫條件下制備二氧化鈦光催化劑[1-3]的研究已經有了一定的進展[4-6]。由于二氧化鈦的帶隙能為3.2 eV的原因,使得這種晶型的二氧化鈦僅僅在紫外光區域才是可激發的,對于可見光的感應度比較差,所以它對太陽能的利用率比較低。以提高TiO2光催化劑的光催化活性為目的,通過對TiO2光催化劑進行摻雜來加以改進將成為一項非常有挑戰性的研究工作,而且這項研究工作的成功將使得這項技術更加的成熟,為今后的“綠色化學”做好鋪墊,更具有實際應用意義。

研究溶膠凝膠法低溫制備TiO2及摻雜型光催化劑。旨在深入研究不同條件和不同摻雜的情況下,通過制備的光催化劑對堿性品紅的可見光吸附和紫外光催化降解實驗,考察所制備樣品的光催化效果,來確定制備TiO2及摻雜型光催化劑的最佳條件。

1 實驗部分

1.1 TiO2及摻雜型光催化劑的制備[7-9]

將鈦酸四丁酯和乙酰丙酮以摩爾比為1∶1的比例置于錐形瓶內,攪拌混合均勻,標記為A溶液;將無水乙醇、水、氨水按照一定的摩爾比例均勻混合,標記為B溶液。將B溶液緩慢滴加到溶液A中,充分反應后處理得到二氧化鈦。分別將正硅酸乙酯、Fe(NO3)3·9H2O和NH4VO3溶解于B中,再將B溶液緩慢滴加到溶液A中,使鈦酸四丁酯緩慢水解,充分反應后,將錐形瓶放入恒溫干燥箱中,在70 ℃下凝膠,待完全凝膠后取出,風干后用無水乙醇清洗,再烘干,冷卻后研磨得到摻雜二氧化鈦光催化劑。

1.2 光催化性能的測定方法[10]

取10 mg/L的堿性品紅50 mL置于錐形瓶中,分別加入催化劑0.30 g,分為A、B兩組。A組每間隔10 min取樣,用紫外分光光度計進行測定其吸附程度。B組采用AF-8400紫外燈照射,同樣每隔10 min取樣,用紫外分光光度計進行測定其降解程度。

2 TiO2及摻雜型光催化劑實驗結果與討論

2.1 二氧化鈦光催化劑實驗的結果與討論

2.1.1 凝膠溫度對光催化活性的影響

由圖1可知,不同溫度下制備的二氧化鈦光催化劑吸附效果接近,隨著凝膠溫度的升高,吸附效果越好。當凝膠溫度較低時,凝膠時間較長,乙酰丙酮螯合效果不好,當溫度高于90 ℃時,凝膠速度過快未能形成均一穩定凝膠。因此,選取70 ℃凝膠來進行本實驗。

圖1 不同凝膠溫度對堿性品紅吸附(左)降解(右)效果的影響

2.1.2 加水量對光催化活性的影響

由圖2可知,加水量在一定范圍內對催化劑的吸附效果影響較小,而且平均吸附率也比較均勻,但最終的吸附效果不好,1 h后只能降解30%左右。當W=32的二氧化鈦粉末降解效果最好,最終達到91%以上。因此,選取W=32進行本實驗。

圖2 加水量對堿性品紅吸附(左)降解(右)效果的影響

2.1.3 氨水量對光催化活性的影響

由圖3可知,氨水量對樣品的吸附效果影響較為明顯,不添加氨水時,樣品的最終吸附效果不到10%,當氨水量與鈦酸四丁酯的摩爾比N<0.15時,二氧化鈦粉末對堿性品紅的吸附效果依然不明顯,隨著氨水量的增加樣品的吸附效果明顯增強。因此,選取氨水量N=0.20進行本實驗。

2.2 摻雜二氧化鈦的實驗結果與討論

2.2.1 硅摻雜光催化劑對光催化活性的影響

由圖4可知,硅摻雜的樣品吸附能力較標準樣品吸附效果有明顯下降。這是由于硅的摻雜使得樣品的粒徑尺寸增大,表面積相對降低,而且摻雜量越大,吸附效果越差。從紫外光降解效果來看,樣品的降解效果有一定的提高。當鈦硅摩爾比為12∶1時,Si摻雜光催化劑的活性最高,對堿性品紅的降解效果最好,最終達到96%。

圖3 氨水量對堿性品紅吸附(左)降解(右)效果的影響

圖4 不同硅摻雜量對堿性品紅吸附(左)降解(右)效果的影響

2.2.3 鐵摻雜對光催化活性的影響

由圖5可知,鐵摻雜的樣品吸附效果在所有樣品中效果最為明顯。其降解率先隨著鐵摻雜量的增大而增大,當摻雜量為0.4%時降解程度最明顯,當摻雜量大于0.4%之后,降解程度反而降低了。其主

圖5 不同鐵摻雜量對堿性品紅吸附(左)降解(右)效果的影響

要原因是,在TiO2中摻雜Fe3+后,催化劑的性質發生了改變, Fe3+摻雜可能造成晶格TiO2中引入了缺陷位置或者改變晶度,從而加強了TiO2的光催化作用,甚至還有可能將TiO2的吸收波長擴展至可見區域。在鐵摻雜樣品中摻雜為0.4%的樣品降解效果最為明顯,最終降解率為98.7%。

3 結 論

實驗采用溶膠凝膠法在較低溫度下制備TiO2光催化劑。以堿性品紅為模擬降解對象,利用紫外分光光度計測定堿性品紅的濃度變化,對此實驗條件下制備的TiO2光催化劑的光催化活性進行研究。分別考察了凝膠溫度、加水量、氨水量對堿性品紅降解效果的影響。實驗結果表明,凝膠溫度70 ℃,加水量W=32,氨水量N=0.20條件下制備的光催化劑效果最佳,此時降解效果較為明顯,堿性品紅的降解率可達到91%以上。

采用同樣的實驗方法分別制備了不同硅、釩、鐵摻雜的TiO2光催化劑,對光催化劑的光催化活性進行研究。結果表明,摻雜光催化劑比二氧化鈦光催化效果明顯。在Si、Fe摻雜光催化劑中,分別當鈦硅摩爾比為12∶1、Fe摻雜量為0.4%時,光催化劑的活性最高,對堿性品紅的降解效果最好;在同等條件下,Fe摻雜的光催化劑總體降解效果明顯優于Si摻雜光催化劑。

[1]納薇,柳清菊,朱忠其,等. 低溫制備銳鈦礦型TiO2溶膠的性能研究[J]. 功能材料, 2006,10(37):1667-1669.

[2]HERRMANN J M, DISDIER J, PICHAT P. Photoassisted platinum deposition on TiO2powder using various platinum complexes[J]. Phys Chem, 2000,90(2):6028.

[3]許珂敬,楊新春,李正民. 離子摻雜對納米TiO2薄膜光催化性能的影響[J]. 中國有色金屬學報, 2006,16(5):847-852.

[4]彭峰,任艷群. TiO2光催化降解氣相有機物的研究進展[J]. 化工進展, 2003,22(1):39-41.

[5]單志強,李青俠,陳俊濤. W6+TiO2新型基體復合材料的制備及光催化活性影響研究[J]. 金屬功能材料, 2003,13(4):11-15.

[6]管晶,梁文懂. 可見光響應型TiO2光催化劑研究進展. 武漢科技大學學報(自然科學版), 2006,29(2):164-167.

[7]AO Y,XU J,FU D. Low-temperature preparation of anatase TiO2-coated activated carbon[J]. Colloids and Surfaces A:Physicochem Eng Aspects, 2008,312(2/3):125-130.

[8]趙小遠. 納米TiO2的制備及其應用[J]. 稀有金屬與硬質合金, 2003,31(1):25-27.

[9]HU Y,YUAN C. Low-temperature preparation of photocatalytic TiO2thin films from anatase sols[J]. Cryst Growth, 2005,274(3/4):563-568.

[10]唐夢澤,于丁銘,祝萌,等. Cu-SiO2催化降解有機染料廢水的研究[J]. 沈陽師范大學學報(自然科學版), 2013,31(4):454-458.

Low temperature preparation of TiO2on the Fuchsin photocatalytic properties

CUIYihui1,TANGMengze1,LILingmei1,LIGuangzhe2

(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Shenyang Normal University, Shenyang110034, China;2. College of Life Science, Shenyang Normall University, Shenyang 110034, China)

TiO2and doped photocatalyst prepared by sol-gel method at low temperature were studied. UV photocatalytic degradation and adsorption experiments of Basic Fuchsin were conducted under different conditions with its serving as simulated degradation object. The effects of the gel temperature, the amount of water, the amount of water, different Si and Fe doping on the photocatalytic efficiency were investigated. The results showed that the better degradation effect on basic fuchsin was obtained when the gel temperature is 70 ℃, titanium water ratio was 1∶0.2, titanium and ammonia ratio was 1∶0.2. The effect on basic fuchsin degradation by Si, Fe-doped photocatalyst was more obvious than that of TiO2. The aim was to explore the best optimum conditions for the effect of TiO2prepared at low temperature on the visible light absorption and UV photocatalytic degradation of basic fuchsin.

sol-gel method; titanium dioxide; photocatalyst; adsorption; degradation

2015-09-25。

國家自然科學基金資助項目(C0310)。

崔義慧(1989-),女,內蒙古呼和浩特人,沈陽師范大學碩士研究生; 通信作者: 李光哲(1966-),男(朝鮮族),遼寧沈陽人,沈陽師范大學教授,博士。

1673-5862(2016)01-0070-04

X52

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.01.016