復(fù)合材料TiO2-Bi2O3的制備及光催化性能

史清華 ,趙婷婷 ,蘆寶平, 董金龍

(太原師范學(xué)院 化學(xué)系，山西 太原 030031)

科研與開發(fā)

復(fù)合材料TiO2-Bi2O3的制備及光催化性能

史清華 ,趙婷婷 ,蘆寶平, 董金龍

(太原師范學(xué)院 化學(xué)系，山西 太原 030031)

采用均勻沉淀法，以硫酸鈦為前軀體，制備TiO2-Bi2O3復(fù)合粉體材料。以羅丹明B為目標(biāo)降解物，研究了熱處理溫度、催化劑用量對(duì)該復(fù)合材料光催化性能的影響。光催化活性隨焙燒溫度升高而增大，550℃焙燒的樣品光催化活性高。當(dāng)催化劑用量為0.026g/10 mL 時(shí)，20 mg/L的羅丹明B溶液在紫外光照射100 min后，降解率可達(dá)到90%。該復(fù)合物對(duì)羅丹明B溶液的光催化降解符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

TiO2-Bi2O3；復(fù)合材料；光催化;羅丹明B

為了充分利用自然光降解污染物，科研者在提高光催化活性和擴(kuò)大激發(fā)波長(zhǎng)等方面做了大量的研究[1-2]。研究中發(fā)現(xiàn)，二元復(fù)合納米材料中，兩種半導(dǎo)體之間的能級(jí)差別能使電荷有效分離，從而使其激發(fā)波長(zhǎng)延伸到了更大的范圍，可達(dá)到可見光區(qū)[3-4]。在眾多的半導(dǎo)體光催化材料中，TiO2具化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、廉價(jià)易得、無(wú)毒且催化效率高等優(yōu)點(diǎn)。但TiO2的固有缺陷限制了它的應(yīng)用：(1)TiO2的帶隙較寬，只能被波長(zhǎng)小于386.5nm的紫外光激發(fā)，可見光不能被利用；(2)TiO2中光激發(fā)產(chǎn)生的電子與空穴容易復(fù)合，導(dǎo)致光量子效率極低，影響TiO2的光催化活性[5-6]。

解決此問(wèn)題的研究集中于兩方面：(1)對(duì)TiO2進(jìn)行修飾，擴(kuò)展有效光頻率響應(yīng)范圍，提高太陽(yáng)光的利用效率；(2)開發(fā)新型半導(dǎo)體光催化劑，要求其能被可見光激活，且具有高的光催化活性。

本文采用均勻沉淀法，以Ti(SO4)2為前軀體制備了TiO2- Bi2O3復(fù)合材料，以羅丹明B模擬廢水為目標(biāo)降解物，對(duì)其光催化活性進(jìn)行了研究，得到了比較滿意的結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑和儀器

主要試劑：五水硝酸鉍，硫酸鈦，十二烷基苯磺酸鈉(DBS)，羅丹明B，以上均為分析純； 實(shí)驗(yàn)用水：二次蒸餾水。

主要儀器： 80-213型離心機(jī)(上海安亨科學(xué)儀器廠制造)；DHC-101-2A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(鞏義市峪予華儀器廠)；78-1型磁力加熱攪拌器(江蘇常州國(guó)華電器有限公司)；7202B型分光光度計(jì)(上海尤尼柯儀器有限公司)；自制光催化反應(yīng)器。

1.2 TiO2/Bi2O3光催化劑的制備[7]

取適量Bi(NO3)3·5H2O配制成Bi(NO3)2溶液，在攪拌條件下向其緩慢滴加6 mol/L NaOH溶液，將產(chǎn)物離心洗滌，得A；量取約30 mL Ti(SO4)2溶液，在攪拌的條件下向其緩慢滴加適量NaOH溶液，反應(yīng)完后，將產(chǎn)物離心洗滌，得B；在攪拌下將適量6 mol/L H2SO4溶液緩慢加入到B中，反應(yīng)完畢后，將產(chǎn)物離心洗滌，得C；取適量A與C混合，攪拌下向其中滴加適量的DBS溶液，充分?jǐn)嚢韬螅寐确螺腿。瑢⑤腿‘a(chǎn)物在馬弗爐中熱處理，處理得到不同焙燒溫度下樣品，備用。

1.3 光催化降解性能研究

光催化實(shí)驗(yàn)在自制的光催化反應(yīng)器中進(jìn)行。

羅丹明B初始質(zhì)量濃度為0.2 g/L,每15 min取一次樣，離心分離，取上層清液，測(cè)其在554 nm處的吸光度變化并計(jì)算降解率，降解率D(%)的計(jì)算：

D/%=(A0-At/A0)×100%

式中：A0為光照前的吸光度；At為光照時(shí)間為t時(shí)刻的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 焙燒溫度對(duì)光催化活性的影響[8]

圖1 不同焙燒溫度的Bi2O3-TiO2的光催化降解曲線

圖1為催化劑用量為0.03g/10mL 、質(zhì)量濃度為20 mg/L羅丹明B的降解率隨催化劑焙燒溫度的變化情況。由圖1可知, 雖然在400℃、450℃、500 ℃下進(jìn)行熱處理時(shí), 摻Bi3+的TiO2的光催化性能差不多。但在400 ℃和450 ℃進(jìn)行熱處理時(shí), 一些有機(jī)成分未被完全灰化。溫度過(guò)低, 有機(jī)物灰化分解不完全, 由于吸附作用,使部分羅丹明B未被降解; 溫度過(guò)高, 有利于TiO2晶化程度提高, 但會(huì)導(dǎo)致納米顆粒的燒結(jié)或晶體進(jìn)一步生長(zhǎng), 顆粒度增大, 導(dǎo)致納米光催化劑的比表面積嚴(yán)重下降, 最終導(dǎo)致光催化效率下降。

2.2 催化劑用量對(duì)光催化活性的影響[9]

圖2 光催化劑用量對(duì)光催化性能的影響

圖2為摻Bi3+TiO2光催化劑的用量對(duì)光催化性能的影響圖。從圖中可以看出,光催化劑投加量低于0.026g/10mL時(shí)，隨著催化劑投加量的增加，羅丹明B的降解率增大，當(dāng)光催化劑量超過(guò)0.0260g/10mL以后，繼續(xù)增加光催化劑，光降解率微呈減小趨勢(shì)。這是因?yàn)榇呋瘎┯昧枯^少時(shí)，光源產(chǎn)生的光子不能被完全轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，使得光子能量沒(méi)有得到充分利用；適當(dāng)增加催化劑用量，能產(chǎn)生更多的活性物種，加快光催化降解的反應(yīng)速率；催化劑用量過(guò)多時(shí)，過(guò)多的粒子會(huì)產(chǎn)生光散射，使有效光強(qiáng)度減弱，從而影響光的吸收。所以得出加入光催化劑的最佳量為0.0260g/10mL。

2.3 光催化降解動(dòng)力學(xué)

圖3 羅丹明B溶液光催化降解動(dòng)力學(xué)曲線

Fig.3 Kinetics curve of photo-degradation of rhodam inc-B

圖3顯示的是550℃焙燒溫度下?lián)紹i3+的TiO2光催化劑對(duì)羅丹明B溶液光催化降解動(dòng)力學(xué)曲線。由圖可知，該降解過(guò)程符合動(dòng)力學(xué)一級(jí)方程。

3 結(jié)論

采用均勻沉淀法制備了TiO2-Bi2O3復(fù)合材料催化劑, 該催化劑的熱處理溫度對(duì)光催化劑的光催化性能有較大影響；催化劑的用量在一定范圍內(nèi)對(duì)降解率也有較大影響；催化劑對(duì)羅丹明B溶液的光催化降解符合動(dòng)力學(xué)一級(jí)方程。

[1] Do Y R, Lee W, Dwight K. et al. The effect of WO3on the photo-catalytic activity of TiO2[J].Solid State Chem,1994 ,108 (1) :198- 201.

[2] Bedja I, Kamat P V. Capped semiconductor colloids synthesis and photo-electro chemical behavior of TiO2-SnO2nano-crystallites[J].Phys Chem, 1995 ,99 (22) :9182 - 9188.

[3] 施利毅,李春忠,古宏晨,等.SnO2- TiO2復(fù)合顆粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)及光催化活性[J].化學(xué)物理學(xué)報(bào), 2000 ,13 (3) :336-341.

[4] 王俊珍,付希賢,楊秋華,等.Bi2O3對(duì)染料的光催化降解性能[J].應(yīng)用化學(xué),2002,19(5):483-485.

[5] 丁新宇,景曉輝,湯艷峰,等. 納米TiO2-Bi2O3-La2O3復(fù)合材料的制備及光、電催化性能研究[J].精細(xì)化工 2008,25(6):532-535.

[6] 陳華軍,尹國(guó)杰,吳春來(lái),等. Bi2O3-TiO2復(fù)合光催化劑的制備及性能研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)2008 ,11 (2) :1516-1518.

[11] 丁 鵬,賈欣茹,唐艷茹,等.復(fù)合氧化物TiO2-Bi2O3對(duì)甲苯的光催化作用[J].功能材料.2007, 38 (9) :1468-1470.

[12] 廖學(xué)紅,王小佳. Bi2O3-TiO2納米復(fù)合物的微波合成及光催化性質(zhì)[J].微納電子技術(shù)2008, 45 (4) :209-213.

[13] 鄒 文,郝維昌,信 心,等.不同晶型Bi2O3可見光光催化降解羅丹明B的研究[J].無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào),2009, 25(11):1971-1976.

(本文文獻(xiàn)格式：史清華 ,趙婷婷 ,蘆寶平, 等.復(fù)合材料TiO2-Bi2O3的制備及光催化性能[J].山東化工，2016，45(14)：1-2.)

Preparation and Photo-catalytic Properties of TiO2-Bi2O3Composite Material

ShiQinghua,ZhaoTingting,LuBaoping,DongJinlong

(Department of Chemistry, Taiyuan Normal University, Taiyuan 030031，China)

Bi2O3-TiO2composite material has been prepared by means of even precipitation method using Ti(SO4)2as precursors. The photo-catalytic activity of the catalyst was evaluated by method of catalytic degradation of rhodam inc-B. The effects of photo-catalytic activities of the composite material at different temperature, different amount of composite were investigated. With the calcining temperature increasing, the photo-catalytic activity is increased, and the best calcining temperature is 550℃.When the concentration of catalyst is 0.026g/10mL, the degradation rate reaches 90% for 20mg/L concentration of rhodam inc-B under ultraviolet irradiation after 100 min. The photo-catalytic degradation of rhodam inc-B meets first order kinetics equation.

TiO2-Bi2O3;composite material; photo-catalysis; rhodam inc-B

2016-05-16

2016年度山西省高校科技開發(fā)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2016167)

史清華(1986—)，山西省翼城人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，從事化學(xué)教學(xué)和科研工作。

O643

A

1008-021X(2016)14-0001-02