二氧化鈦的表征及其光降解研究

朱曉東， 朱然苒， 徐洪燕， 裴玲秀， 陳 慶， 何 鑫， 余敬雅， 徐美玲

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

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二氧化鈦的表征及其光降解研究

朱曉東， 朱然苒， 徐洪燕， 裴玲秀， 陳 慶， 何 鑫， 余敬雅， 徐美玲

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

通過溶膠—凝膠法制備了TiO2粉體，并對其進(jìn)行了X射線衍射、掃描電子顯微鏡以及能譜分析等表征分析，分析了其晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌以及元素組成；采用亞甲基藍(lán)的降解率來評價其光催化性能.實驗結(jié)果表明：TiO2為銳鈦礦結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸為14.8 nm，達(dá)到納米級；所制備的TiO2對亞甲基藍(lán)有較好的光降解作用，3 h后的降解率達(dá)到79.2%.

TiO2；溶膠凝膠法；光催化性能；亞甲基藍(lán)

0 引 言

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的普及，日益突出的環(huán)境保護(hù)問題已成為人們關(guān)注的重點.尤其在工業(yè)發(fā)展中，如何有效地降解有機(jī)廢水，已成為眾多學(xué)者研究的熱點.目前降解有機(jī)廢水的方法主要有物化法與生物處理法等[1-2].其中，利用光催化劑降解有機(jī)廢水因其性能高效、操作簡便、節(jié)能無毒且價格低廉等特點，在有機(jī)廢水處理中有著極大的研究價值與應(yīng)用前景[3-4].常用的光催化劑有SnO2、ZnO、ZnS及TiO2等[5]，其中TiO2具有低成本、高活性及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點而備受青睞，廣泛應(yīng)用于廢水處理、氣體或液體污染物降解等領(lǐng)域[6].目前，制備TiO2的方法較多，主要有醇鹽水解法、水熱合成法、均勻沉淀法及溶膠—凝膠法等.其中，溶膠—凝膠法制得的TiO2純度高、粒徑分布均勻、反應(yīng)易控制、副反應(yīng)少且工藝操作簡單等優(yōu)點[7-8].對此，本研究擬采用溶膠—凝膠法制備TiO2粉體并對其進(jìn)行表征，并以亞甲基藍(lán)為目標(biāo)污染物，探討了TiO2的光催化性能.

1 實 驗

1.1 試 劑

實驗所用試劑包括：純度為99.5%的冰乙酸(分析純)，純度為99.7%的無水乙醇(分析純)，純度為98.5%的鈦酸丁酯(分析純)，亞甲基藍(lán)(分析純)；去離子水，自制.

1.2 儀 器

實驗所用儀器包括：78-1型磁力加熱攪拌器(金壇科析儀器有限公司)，JD300-3型電子天平(沈陽龍騰電子有限公司)，4-13型箱式電阻爐(沈陽市節(jié)能電爐廠)，DHG-9030型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海鴻都電子科技有限公司)，KQ3200DE型數(shù)控超聲波清洗器(昆山超聲儀器有限公司)，DX-2700型X射線衍射儀(遼寧丹東射線儀器公司)，Quanta450 FEG型掃描電子顯微鏡(美國FEI公司).

1.3 樣品制備

實驗樣品的制備流程為：在溶液A中加入2 mL去離子水，6 mL無水乙醇，3 mL冰醋酸，攪拌30 min；將10 mL的鈦酸丁酯與20 mL的無水乙醇加入溶液B中，攪拌均勻后，將溶液A以緩慢滴加入溶液B中，滴加結(jié)束后再繼續(xù)攪拌1 h以形成溶膠；攪拌后在室溫下放置一定時間直至形成凝膠，烘干后得到干凝膠；研磨后放置馬弗爐中進(jìn)行熱處理，溫度為450 ℃，保溫6 h，隨爐冷卻后，研磨制得TiO2粉體.

1.4 光催化活性

實驗以亞甲基藍(lán)溶液為目標(biāo)污染物來考察TiO2的光催化活性，具體流程為：量取300 mL的10 mg/L亞甲基藍(lán)溶液倒入燒杯中，并加入制得的TiO2粉體0.3 g，混合攪拌均勻后超聲分散10 min；采用250 W汞鎢混光燈作為光源，置于燒杯上方，開始反應(yīng)后每隔30 min取樣一次，離心后抽取上層清液，在波長664 nm處測試溶液吸光度. 光催化活性采用降解率公式((A0-At)/A0×100%)來計算.

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)分析

TiO2粉體的X射線衍射(X-Ray Diffraction,XRD)圖譜如圖1所示.

圖1 TiO2粉體的XRD圖譜

由圖1可知，純TiO2樣品在25.3°附近出現(xiàn)了最強(qiáng)衍射峰，對應(yīng)于銳鈦礦(101)晶面.同時，還出現(xiàn)了(200) 、(004)等晶面衍射峰，這些衍射峰都屬于銳鈦礦的特征峰，并且峰型尖銳，說明晶體結(jié)構(gòu)較為完整.平均晶粒尺寸利用Scherrer公式計算，

D=kλ/βcosθ

(1)

式中，D為平均晶粒尺寸，k為常數(shù)0.89，λ為入射波長，β為衍射峰的半高寬，θ為各衍射峰對應(yīng)的衍射角的一半.

經(jīng)計算，實驗制得的TiO2粉體平均晶粒尺寸為14.8 nm.

2.2 表面形貌和元素組成分析

TiO2粉體的SEM圖片如圖2所示，圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)放大倍數(shù)分別為25 000倍、50 000倍、100 000倍和200 000倍.

圖2 TiO2的SEM圖片

從圖2可以看出，TiO2顆粒基本都是類球形形貌，并且出現(xiàn)了明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象.由于納米粒子晶粒尺寸小，比表面積大，具有極高的表面能，容易團(tuán)聚[9].

TiO2的能譜(Energy Dispersive Spectrom,EDS)圖譜如圖3所示.

圖3 EDS圖譜

從圖3可知，EDS圖譜中出現(xiàn)了Ti、O與C元素的信號，其中C元素可能來自于測試過程中導(dǎo)電膠的信號，Ti、O元素則為制備的TiO2晶體元素.

2.3 光催化活性分析

實驗制備的TiO2粉體對亞甲基藍(lán)的光降解率曲線如圖4所示.

圖4 亞甲基藍(lán)的光降解率曲線

由圖4知，亞甲基藍(lán)的濃度隨時間增加而下降，表明TiO2在光照作用下，對亞甲基藍(lán)有較好的降解作用，反應(yīng)3 h后的亞甲基藍(lán)降解率達(dá)到79.2%.

光催化反應(yīng)速率常數(shù)用公式[10]計算，

ln(Ct/C0)=-kt

(2)

式中，C0、Ct分別為初始濃度以及反應(yīng)t小時后亞甲基藍(lán)濃度，t為反應(yīng)時間，k為反應(yīng)速率常數(shù).

光催化反應(yīng)速率計算結(jié)果如圖5所示，TiO2光催化反應(yīng)速率常數(shù)k為0.5291 h-1.

3 結(jié) 論

本研究采用溶膠—凝膠法制備了TiO2粉體，并對其進(jìn)行了表征以及光催化性能測試.結(jié)論如下：其晶體結(jié)構(gòu)為銳鈦礦結(jié)構(gòu)，平均晶粒尺寸為14.8 nm，達(dá)到了納米級別；TiO2粉體顆粒呈類球形，有明顯的團(tuán)聚；制得的TiO2粉體對亞甲基藍(lán)有較好的光降解作用，反應(yīng)3 h后亞甲基藍(lán)的降解率為79.2%，反應(yīng)速率常數(shù)k為0.5291 h-1.

圖5 光催化反應(yīng)速率常數(shù)圖

[1]丁真真.難降解有機(jī)物廢水的處理方法研究現(xiàn)狀[J].甘肅科技，2006，22(2)：113-115.

[2]毛紹春，姚文華，方華，等.高濃度有機(jī)廢水處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].云南化工，2004，31(3)：27-30.

[3]杜軼君，陳立，施威.酞菁—二氧化鈦光催化劑的制備及其光催化降解效果[J].環(huán)保科技，2013，19(4):21-25.

[4]Saidani T,Zaabat M,Aida M S,et al.EffectofcopperdopingonthephotocatalyticactivityofZnOthinfilmspreparedbysol-gelmethod[J].Superlatt Microstr,2015,88:315-322.

[5]郟青峰，劉向陽，崔玉民，等.MoO3/TiO2復(fù)合催化劑的制備及光活性[J].人工晶體學(xué)報，2013，42(12)：2601-2606.

[6]黃鳳萍，張雙，王帥，等.稀土Nd摻雜納米TiO2的制備及光催化活性探討[J].硅酸鹽通報，2014，33(7):1643-1648.

[7]朱曉東，李浩宇，易倩，等.Zn摻雜TiO2的制備與形貌研究[J].成都大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，35(3):275-277.

[8]周婧，趙高凌，韓高榮.鍺摻雜二氧化鈦薄膜的溶膠凝膠法制備和性能研究[J].功能材料，2009，40(12):2000-2003.

[9]袁文俊，周勇敏.納米顆粒團(tuán)聚的原因及解決措施[J].材料導(dǎo)報，2008，22(s3):59-61.

[10]Shafaei A,Nikazar M,Arami M.Photocatalyticdegradationofterephthalicacidusingtitaniaandzincoxidephotocatalysts:comparativestudy[J].Desalination,2010，252(1-3):8-16.

Characterization of TiO2and Its Photodegradation

ZHUXiaodong,ZHURanran,XUHongyan,PEILingxiu,CHENQing,HEXin,YUJingya,XUMeiling

(School of Mechanical Engineering，Chengdu University， Chengdu 610106， China)

TiO2powder is prepared by sol-gel method.The characterization analysis of TiO2is done through XRD,SEM and EDS.Then,the crystal structure,surface morphology and element composition are analyzed.The photocatalytic performance is evaluated by the degradation rate of the methylene blue.The results show that TiO2is an anatase structure with a grain size of 14.8 nm,which reaches the nanometer level.The prepared TiO2shows good photodegradation effects on methylene blue and the degradation rate reaches 79.2% after 3 hours.

TiO2;sol-gel;photocatalytic performance;methylene blue

1004-5422(2017)02-0201-03

2017-05-10.

四川省教育廳自然科學(xué)基金(16ZB0436)資助項目.

朱曉東(1984 — )， 男， 博士， 講師， 從事納米光催化材料研究.

O614.41+11；X788

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