聚苯胺復合二氧化鈦光催化劑的制備及光催化性能研究

明 皓，范文玉，孔俊嘉，朱孟飛

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聚苯胺復合二氧化鈦光催化劑的制備及光催化性能研究

明 皓1，范文玉2，孔俊嘉1，朱孟飛1

（1. 沈陽科技學院，遼寧 沈陽 110167； 2. 沈陽化工大學，遼寧 沈陽 110142）

通過化學氧化聚合法制備了不同反應條件下的PANI/TiO2復合材料。利用正交試驗驗證了苯胺與過硫酸銨摩爾比、反應溫度、TiO2用量及鹽酸用量對光催化劑性能的影響。以KBF染料模擬廢水為研究對象，考察了PANI/TiO2復合材料在可見光條件下降解水中有機物的效果。結果表明，合成反應的最優條件是，苯胺0.3 g、二氧化鈦1.5 g、鹽酸250 mL（1.2 mol/L）、反應溫度5℃、過硫酸銨1.47 g、攪拌時間140 min。聚苯胺對納米TiO2光催化劑的改性，顯著改善了催化劑的光催化性能，可有效降解KBF染料。

反應條件； PANI/TiO2；光催化；染料廢水

TiO2作為性能優良的光催化劑被廣泛應用于各環保領域，在處理染料廢水和室內甲醛時應用較多，也是近年來光催化領域的研究熱點[1]。TiO2具有無毒、催化活性高、穩定性好、氧化能力強等優點，但在實際應用中也存在著量子效率低、光吸收波長窄、太陽能利用率低等缺點，很大程度上制約了TiO2在可見光條件下的應用[2]。人們通常采用離子摻雜、半導體復合等方法來拓寬TiO2光催化材料的光譜響應范圍[3]。

聚苯胺（PANI）可以改性納米TiO2，提高其可見光利用率，是目前研究最多的一類導電高分子材料[4]。將聚苯胺負載在納米TiO2光催化劑的表面，可擴展納米TiO2光催化劑在可見光區的吸收范圍，有效提高光催化劑的光催化活性[5]。

染料廢水屬難處理的工業廢水，傳統生物方法在實際應用中效果并不理想，而光催化降解技術在實踐中應用較少，因此，有較大的發展空間[6]。本實驗采用正交試驗等手段，通過化學氧化聚合法制備了不同反應條件的PANI/TiO2復合材料，并對KBF染料模擬的染料廢水進行處理。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和試劑

苯胺（天津市科密歐化學試劑有限公司，經二次減壓蒸餾）；鹽酸；過硫酸銨；一定濃度的KBF染料溶液。

UV1201分光光度計（日本島津）；D8 Advance X 射線衍射儀（德國布魯克公司）；JSM-6360LV高低真空掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社）。

1.2 PANI/TiO2粉體的制備

將一定量的苯胺，鹽酸溶液(1.2 mol/L)和TiO2粉體在一定溫度下充分攪拌。將一定質量的氧化劑過硫酸銨溶于鹽酸溶液中，對上述體系緩慢滴定，在酸性環境下使苯胺發生聚合反應。滴定結束后繼續攪拌4 h，使聚合反應均勻徹底。反應結束后，將樣品置于陰涼處12 h，依次用鹽酸溶液和蒸餾水洗滌、離心、烘干并研磨到無大顆粒，即制得PANI/TiO2粉體[7]。

1.3 光催化降解實驗

在充足的可見光條件下，將一定濃度的KBF染料溶液置于光催化降解裝置中，加入一定量的光催化劑樣品并快速攪拌使粉體與染料溶液充分接觸，每隔一定時間取出一定量的染料溶液經離心后測其吸光度。

2 結果與討論

2.1 反應條件對光催化降解的影響

為了得出反應條件對光催化降解的影響，設計4因素、4水平的正交試驗，綜合考量摻雜酸（鹽酸）用量、反應溫度、氧化劑（過硫酸銨）用量及TiO2用量等因素對復合材料光催化性能的影響。表1為因素水平表，表2為正交試驗結果。

表1 因素水平表

表2 正交試驗結果

通過方差極差分析和效應曲線分析，對光催化降解速率影響的因素依次為二氧化鈦的量、鹽酸的量、反應溫度和過硫酸銨的量（苯胺與過硫酸銨的摩爾比）。即苯胺0.3 g、二氧化鈦1.5 g、鹽酸250 mL、反應溫度5 ℃、過硫酸銨1.47 g、攪拌時間140 min時，制備的光催化劑催化效果最好。

2.2 催化劑比表面積與光催化活性的關系

正交試驗中各反應條件下合成的催化劑比表面積如圖1所示，各催化劑對染料廢水的光催化降解速率如圖2所示。

由圖1和圖2可知，樣品的多點BET比表面積變化與光催化降解速率變化趨勢基本一致，因此可以得出，樣品的比表面積越大，越有利于催化反應的進行，光催化降解速率就越大[8]。

2.3 催化劑的SEM分析

最優條件下合成的PANI/TiO2的SEM 照片如圖3所示。

圖1 樣品的多點BET比表面積變化

圖2 樣品的光催化降解速率變化

圖3 光催化劑的SEM形貌

摻雜后的樣品因為在酸性介質中發生了苯胺沉淀聚合反應而具有較規則的層狀結構，且表面沉淀了大量球形顆粒。聚合反應可以拓寬催化劑的光譜響應范圍，提高光量子效率，進而提高光催化降解性能。

2.4 光催化劑的XRD分析

圖4為光催化劑的XRD譜圖。PANI/TiO2衍射角與TiO2的特征衍射峰值相差不大，衍射峰尖銳明顯，兩者譜圖樣式趨勢基本一致，摻雜后未出現PANI衍射峰。說明在反應過程中，TiO2的晶型沒有發生改變，摻雜聚苯胺并沒有改變TiO2的晶型結構，樣品具有較好的結晶度。

圖4 光催化劑的XRD譜圖

3 結 論

（1）在不同反應條件下，利用正交試驗等手段，通過化學氧化聚合法制備了一系列PANI/TiO2復合材料，合成反應的最優條件是:苯胺0.3 g、二氧化鈦1.5 g、鹽酸250 mL（1.2 mol/L）、反應溫度5 ℃、過硫酸銨1.47 g、攪拌時間140 min。

（2）以TiO2為基體，經過聚苯胺的摻雜復合和改性，在一定程度上拓展了TiO2光催化劑在可見光區的吸收范圍。

（3）復合材料比表面積較大，具有良好的層狀結構，且有較好的結晶度，可有效降解KBF模擬的染料廢水。

［1］趙歡．介孔TiO2復合光催化劑的制備及光催化降解染料廢水的研究[D]. 陜西: 長安大學，2013，6．

［2］李曉斌．納米TiO2改性及光催化降解甲醛的研究[D]. 陜西: 西北農林科技大學，2006，6．

［3］陳鵬，胡相紅，陳超，等．負載型TiO2光催化劑研究進展[J]. 材料開發與應用，2013，28（4）：117-124．

［4］賀舉．導電高分子聚苯胺的合成及其應用[J]. 科技信息: 科學教研，2008（18）：393-394．

［5］范文玉，明皓，陳婉菇，等．不同酸摻雜的聚苯胺復合二氧化鈦光催化劑的研究[J]. 化學世界，2015，56（3）：150-153．

［6］陳文華，李剛，許方程，等．染料廢水污染現狀及處理方法研究進展[J]. 浙江農業科學，2014，1（2）：1-5．

［7］范文玉，明皓，陳婉茹，等．Fe3+對聚苯胺復合二氧化鈦光催化性能影響的研究[J]. 沈陽化工大學學報，2014，28（3）：234-238．

［8］范文玉，張冬冬，李娜，等．水蒸氣-水解法制備TiO2光催化劑的研究[J]. 沈陽化工大學學報，2010，24（2）：130-134．

Preparation and Photocatalytic Performance of PANI /TiO2Composite Photocatalyst

1,2,1,1

（1. Shenyang Institute of Science and Technology, Liaoning Shenyang 110167，China； 2. Shenyang University of Chemical Technology, Liaoning Shenyang 110142，China）

PANI/TiO2composites were prepared by chemical oxidation polymerization under different reaction conditions. The effect of molar ratio of aniline and ammonium persulfate, reaction temperature, amount of TiO2and amount of hydrochloric acid on the performance of the photocatalyst was studied by orthogonal test. Taking KBFsimulated dye wastewater as research object, the organic matter degradation in aqueous solution of PANI/TiO2composites under visible light was investigated. The results show that the optimum conditions of the synthesis reaction are as follows: aniline 0.3 g, TiO21.5 g, HCl 250 mL, reaction temperature 5℃, ammonium persulfate 1.47 g, stirring time 140 min. The modification of nanometer TiO2photocatalyst with polyaniline can improve the photocatalytic activity, and modified nanometer TiO2photocatalyst can degrade KBF effectively.

reaction condition; PANI/TiO2; photocatalysis; dye wastewater

2017-03-22

明皓（1988-），男，助教，碩士，遼寧省錦州市人，2014年畢業于沈陽化工大學環境科學專業，研究方向：催化劑、環保涂料、土壤修復技術等。

O 643.36

A

1004-0935（2017）05-0435-03