TiO2/微孔陶瓷的制備及光催化降解亞甲基藍

趙妍，梁秀紅，2

（1.河北工業大學生態環境與信息特種功能材料教育部重點實驗室，天津300130；2.河北工業大學能源與環保材料研究所，天津300130）

TiO2/微孔陶瓷的制備及光催化降解亞甲基藍

趙妍1，梁秀紅1，2

（1.河北工業大學生態環境與信息特種功能材料教育部重點實驗室，天津300130；2.河北工業大學能源與環保材料研究所，天津300130）

為解決粉體TiO2在水體系應用時存在易團聚、固液分離困難、循環使用受到限制等問題，以微孔陶瓷為載體，通過溶膠-凝膠和浸漬工藝制備TiO2/微孔陶瓷負載型光催化材料.研究負載后TiO2燒成過程中的物質變化、載體對TiO2晶型轉變溫度的影響、TiO2與載體的結合情況、載體對TiO2半導體性質的影響及負載型光催化材料對亞甲基藍的催化降解能力及光催化穩定性.結果表明：經負載后TiO2從銳鈦礦型向金紅石型的轉變溫度由700℃提高到900℃；TiO2以物理方式黏附到微孔陶瓷表面及孔道；經微孔陶瓷負載TiO2之后，TiO2的帶隙能由3.04 eV增加到3.06 eV；當TiO2/微孔陶瓷使用量為1 g，紫外光照射5 h，重復使用6次過程中，對亞甲基藍溶液的去除率均高于90%，TiO2/微孔陶瓷具有較高的催化活性和使用穩定性.

微孔陶瓷；溶膠-凝膠；二氧化鈦；光催化；去除率

0 前言

隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，環境污染成為人們日益關注的焦點之一.光催化降解技術可以光催化氧化污染物，其中二氧化鈦以廉價無毒、降解率高、氧化能力強等優點，被廣泛地研究[1].但由于粉體TiO2在工作時，存在易團聚、活性成分損失大、比表面積有限、不易沉降、難回收和循環使用受到限制等問題，嚴重制約了其在工業方面的應用.近年來，以活性炭[2]、多孔陶瓷[3-4]、光學纖維[5-6]、玻璃[7]等作為載體，通過化學成鍵或物理黏附的方法，制備負載型納米TiO2光催化劑，可以有效的解決以上問題，并增加其催化效率和使用穩定性.

由于微孔陶瓷大的比表面積、較高的機械強度、良好的吸附性能、對環境無污染、與催化劑相容性好[8]，可以將其作為負載納米TiO2的載體.將TiO2固定化于微孔陶瓷，既避免了催化劑的團聚、實現了循環使用，又可利用微孔陶瓷良好的吸附性能將目標降解物吸附到載體表面，增大TiO2和目標降解物接觸的機率，提高TiO2的降解效率.因此多孔陶瓷作為TiO2催化劑的載體應用于污水處理有良好的應用前景.何秀蘭等[9]采用溶膠-凝膠法在多孔陶瓷上負載納米TiO2，結果表明催化劑對甲基橙溶液具有較好的光催化降解效果，并通過Sm3+摻雜提高其催化活性.高如琴等[10]采用水解沉淀法在多孔陶瓷上合成納米TiO2薄膜，對甲醛的去除率達94.6%.

本工作以自制高氣孔率、高強度、良好吸附性能的硅藻土基微孔陶瓷為載體，采用溶膠-凝膠和浸漬工藝，在微孔陶瓷表面及孔道負載納米TiO2，并研究了載體對TiO2晶型轉變溫度的影響，TiO2與載體的成鍵情況，負載TiO2后微孔陶瓷表面的微觀形貌，載體對TiO2半導體性質的影響，并考察了負載型TiO2對亞甲基藍溶液的光催化降解能力和光催化穩定性.

1 實驗

1.1 原料和樣品的制備

選用天津弘喜泰化工貿易有限公司生產的硅藻土為主要多孔礦物原料，添加骨料（高嶺土）和燒結助劑（長石和白云石），其質量比為7∶2∶1，采用壓制成型工藝，在1 000℃燒結2 h，制備微孔陶瓷（φ= 20 mm），氣孔率為56.03%，抗壓強度為29.73 MPa，當微孔陶瓷使用量為2 g時，對濃度為10 mg/L的50 mL的亞甲基藍溶液的去除率為90.633%.將微孔陶瓷于去離子水中超聲波清洗3次，105℃烘干，待用.

鈦酸丁酯、鹽酸、硝酸、醋酸、無水乙醇和亞甲基藍試劑均為天津大茂有限公司生產，去離子水為實驗室自制.將鈦酸丁酯、無水乙醇和醋酸，按體積比為3∶6∶2，置于A燒杯中攪拌30 min，將去離子水和無水乙醇，按體積比為1∶2，置于B燒杯并用硝酸調節其pH=1.5.將B燒杯的液體用恒壓管以1 mL/min的速度滴入A燒杯，并劇烈攪拌40 min；將混合液體放入錐形瓶中并加入清洗好的微孔陶瓷，置于恒溫（30℃）氣浴震蕩器中震蕩60 min，將浸漬后的陶瓷取出，105℃烘干60 min，此步驟重復3次（剩余凝膠干燥20 h，研磨）；將浸漬后的陶瓷和研磨好的粉末置于馬弗爐中分別在500～900℃（間隔100℃）煅燒2 h，得到納米TiO2/微孔陶瓷塊體和納米TiO2粉末.

1.2 樣品表征

用德國布魯克AXS有限公司生產的D8 FOCUS型多晶衍射儀，對樣品進行測試，分析其物相組成，電壓40 kV，電流40 mA，Cu靶，波長λ=0.154 06 nm，步速為10°/min，掃描范圍5～80°.采用中國北京恒久科學儀器廠生產的HCT-2型熱分析儀對樣品進行熱重和差熱分析，從室溫升至1 200℃、升溫速率為10℃/min.用美國FEI公司生產的Nova Nano SEM450掃描電子顯微鏡對樣品表面進行顯微結構和表面化學元素組成分析.用日本HITACHI公司生產的U-390H型紫外-可見分光光度計測量樣品的光譜吸收曲線.用北京產的T6型紫外分光光度計測量溶液的吸光度.

1.3 TiO2/微孔陶瓷對亞甲基藍溶液的去除率測試

將1 g的TiO2/微孔陶瓷放入盛有50 mL初始濃度為10 mg/L亞甲基藍溶液的培養皿（φ=90 mm）中，置于磁力攪拌器，暗室攪拌30 min，用紫外燈進行光照（光照強度10 mW·cm-2），然后每隔特定時間取樣2.5 mL，采用可見分光光度計測量溶液的吸光度（亞甲基藍λmax=664 nm）.根據Langmuir定律，在最大波長處的吸光度和濃度具有線性關系，換算出濃度，即可計算亞甲基藍的降解率

其中：Q為亞甲基藍的降解率；C0為亞甲基藍溶液的初始濃度；C為降解后亞甲基藍溶液的濃度.

2 結果與討論

2.1 樣品的表征

2.1.1 熱分析結果

圖1是經105℃干燥后干膠/微孔陶瓷的熱分析曲線.由圖中熱重曲線可知，由于微孔陶瓷載體是在1 000℃下高溫燒結的，因此總的失重是Ti的化合物在加熱過程中造成的，總失重率約為3%.質量損失過程主要包括3個階段：室溫至200℃，失重率為1.06%，這是因為吸附水和干燥時未脫去的乙醇脫附引起的；200～400℃，失重率為2.03%，這主要是由于羥基縮合反應，由無定形向銳鈦礦相的轉變而造成的；400～1 000℃，質量損失不明顯為0.05%，主要是納米晶粒表面的羥基基團的脫附造成的，TiO2表面一般存在Ti-OH和Ti-（OH）-Ti 2種類型的羥基基團，2種基團的脫附溫度不同，所以羥基基團引起的失重溫度較為寬泛[11].由圖中差熱曲線可知，在低溫114℃出現小的吸熱峰，對應Ti化合物的脫水脫醇.在328℃左右出現放熱峰，對應有機基團的氧化和分解.在814℃出現小的放熱峰，這是銳鈦礦型TiO2向金紅石型轉變過程中放熱產生的.同時也看到，在400～1 000℃基本沒有質量損失，曲線趨于平滑，這是銳鈦礦的晶相生長和由銳鈦礦向金紅石相轉變的過程.

圖1 干膠/微孔陶瓷的熱分析Fig.1 Thermal analyses of dry gel/micro-porous ceramics

2.1.2 煅燒溫度對TiO2晶型及燒成溫度的影響

由圖2a）可知，當煅燒溫度低于700℃時，在2θ為25.2°（101），37.7°（004），48.0°（200）等處為銳鈦礦型二氧化鈦的特征峰，說明樣品中只有銳鈦礦型TiO2.當煅燒溫度為700℃時，在2θ為27.3°（110），35.4°（101）等處出現金紅石型二氧化鈦特征峰，說明樣品中開始有金紅石型TiO2的出現.當煅燒溫度為900℃時，樣品中的TiO2全部為金紅石型.由圖2b）可知，微孔陶瓷載體主要成分為方石英型的SiO2，并伴隨有少量的石英型SiO2和鈣鋁氧化物.樣品經500℃煅燒，可以看到出現了銳鈦礦型的TiO2，并且隨著燒結溫度的升高衍射峰強度逐漸增大，說明銳鈦礦的晶型逐漸完整.當煅燒溫度為900℃時，樣品中開始有金紅石型TiO2的出現這與2.1.1中在814℃出現小的放熱峰是一致的.

由圖2中的a）和b）對比可知，經過負載后TiO2銳鈦礦相向金紅石相轉變的溫度有明顯的提高，由700℃提高到900℃.說明微孔陶瓷載體阻礙了金紅石型TiO2的形成，最終提高了銳鈦礦型向金紅石型的轉變起始溫度.在二氧化鈦的晶型中，銳鈦礦型比金紅石型表現出更高的光催化活性，并且TiO2經負載后有更寬的銳鈦礦型燒成溫度，為了降低燒成成本，選定煅燒溫度為700℃.

圖2 不同煅燒溫度的TiO2的X射線衍射圖Fig.2 XRD of TiO2sintering at different temperatures

從表1中可以看出，負載前后TiO2的晶粒尺寸都隨著煅燒溫度的升高而逐漸增大.在同一煅燒溫度下，經過負載的TiO2的晶粒尺寸明顯小于未負載TiO2的晶粒尺寸，這主要是因為載體阻礙了金紅石型TiO2的形成.隨著煅燒溫度的升高，銳鈦礦型TiO2向金紅石型TiO2轉變.由TiO2熱力學焓隨顆粒尺寸的變化[12]可知，當顆粒尺寸小于11 nm時，銳鈦礦是最穩定的晶相.由表1可知制備銳鈦礦TiO2的晶粒尺寸小于10 nm，因此樣品中的銳鈦礦型TiO2具有很好的穩定性.

表1 不同煅燒溫度下TiO2粒子的粒徑和晶相組成Tab.1 Particle size and crystalline phase constitute of TiO2sintering at different temperature

2.1.3 微孔陶瓷和TiO2/微孔陶瓷的顯微和能譜分析

由圖3a）可以看出，微孔陶瓷中含有硅藻土的原始孔洞和由顆粒堆積產生的三維孔洞，氣孔率較高，且孔隙分布均勻，此類陶瓷表面粗糙，具有較大的比表面積，是負載TiO2的理想載體.由圖3a）和圖3b）圖對比可知，基體表面附有大量細小顆粒.圖3c）為圖3b）的放大圖，由圖3c）的結構和形貌，可以明顯的看出陶瓷表面有分布均勻的顆粒，其大小在納米級.

圖3 樣品表面的SEM圖片Fig.3 SEM of samples

將樣品表面進行能譜分析，根據圖4a）可知，微孔陶瓷主要由Si，O，Al，Mg，Ca等元素組成，其中Si，O，Al的含量較高，與2.1.2中微孔陶瓷主要為方石英相一致.在微孔陶瓷負載TiO2后，表面出現了大量Ti元素，并且O元素相對含量增加，Si，Al的含量明顯下降.這主要是因為微孔陶瓷表面被大量Ti元素所覆蓋，由于Ti與O結合為TiO2，因此O元素含量有所增加.結合顯微和表面能譜分析可以說明，TiO2已經負載在微孔陶瓷表面，細小的TiO2晶粒均勻的分布在陶瓷表面與孔洞內.經過負載后既可以增加TiO2光催化材料的光照面積，又利于催化劑的回和收循環利用.

2.1.4 傅立葉紅外分析

圖5中a曲線為微孔陶瓷的紅外吸收曲線，其中472.54 cm-1、774.65 cm-1和1 134.11 cm-1為SiO2中[Si-O]四面體形成的Si-O-Si的伸縮振動吸收峰.b曲線為干膠/微孔陶瓷的紅外吸收曲線，對比a和b曲線可知Si-O-Si的伸縮振動吸收峰的峰位變化不大，有輕微偏移，但是峰強明顯減弱，是因為微孔陶瓷表面負載了一層納米二氧化鈦.此外，在1 200～1 800 cm-1波段出現了新峰1 437.28 cm-1和1 554.57 cm-1，這是由醋酸中的羧酸根對稱反對稱振動所致.c曲線為TiO2/微孔陶瓷-700℃的紅外吸收曲線，樣品經干燥后偏移的峰位又回到原來位置，這可能是二氧化鈦經過煅燒融入到微孔陶瓷載體中所致；出現的羧酸根對稱反對稱振動峰位消失，這是因為有機體揮發[13-14].由此說明，TiO2以物理方式粘附于微孔陶瓷載體.

圖4 樣品表面的EDS譜圖Fig.4 EDS of samples

圖5 微孔陶瓷和TiO2/微孔陶瓷的紅外吸收光譜Fig.5 FTIR of micro-porous ceramics and TiO2/micro-porous ceramics

2.1.5 紫外-可見吸收光譜分析

由圖6可知，當煅燒溫度為700℃時，TiO2粉體的吸收波長閥值λg=407.4 nm，負載后TiO2的吸收波長閥值λg=405.3 nm.通過公式Eg=1 240/λg計算得到，TiO2粉體的帶隙能Eg為3.04 eV，負載后TiO2的帶隙能Eg為3.06 eV.對比可知，負載后TiO2的吸收邊有藍移效應，這是TiO2與微孔陶瓷載體間的界面效應造成的.由2.1.2中XRD結果可知，在相同溫度煅燒時，負載后二氧化鈦的晶粒尺寸減小，這會增強TiO2的量子尺寸效應.量子力學理論認為[15]，帶隙能量的改變量與半導體化合物粒子尺寸成反比，因此負載后銳鈦礦型TiO2晶粒尺寸的減小導致帶隙能的增大.TiO2的禁帶寬度變寬，使電子-空穴對具有更強的氧化還原能力，從而有利于提高TiO2的光催化能力.

此外，從紫外可見吸收光譜中還可以判斷氧化鈦中Ti4+的配位情況.在圖a）和圖b）中，233 nm和304 nm處有明顯并且寬的吸收峰，這說明TiO2處于六配位狀態，（Td）中心Ti4+離子到O配體的電子躍遷所致的[16]，因此圖a）和圖b）中的TiO2為銳鈦礦相，與2.1.2中XRD結果700℃煅燒時，TiO2為銳鈦礦相一致.

圖6 樣品的紫外-可見吸收光譜圖Fig.6 UV-vis of samples

2.2 TiO2/微孔陶瓷的光催化性能

2.2.1 亞甲基藍的自光解和微孔陶瓷載體的吸附

以亞甲基藍溶液為目標降解物，在紫外燈照射而沒有TiO2和微孔陶瓷的條件下測試亞甲基藍的自身降解率.為了證明TiO2/微孔陶瓷對亞甲基藍的去除率是以TiO2的光催化降解還是微孔陶瓷的吸附為主，選用沒有負載TiO2的微孔陶瓷在相同條件下，測試微孔陶瓷對亞甲基藍的去除率.

圖7中的A曲線是亞甲基藍溶液僅在紫外燈照下的降解率，B曲線是微孔陶瓷在紫外燈照下對亞甲基藍的去除率.由A曲線可知，亞甲基藍溶液在紫外燈照下有一定的自降解作用，去除率約為2%.由B曲線可知，微孔陶瓷對亞甲基藍溶液的去除率為86.153%，微孔陶瓷的表面及孔道存在許多強氧化性的羥基官能團，這使微孔陶瓷有良好的吸附性能.由于染料的自光解率很低，以下實驗中忽略不計.

圖7 空白對照Fig.7 Blank control

2.2.2 TiO2/微孔陶瓷使用量對亞甲基藍去除率的影響

圖8為固定光照強度為10 mW·cm-2，TiO2/微孔陶瓷的使用量為0.1～1.25 g，隨著時間的延長亞甲基藍去除率的曲線圖.首先亞甲基藍溶液與負載型TiO2暗室攪拌30 min，然后打開紫外燈進行光催化反應.

由圖8可以看出，隨著TiO2/微孔陶瓷使用量的增多，亞甲基藍溶液達到完全去除的時間縮短.當負載型TiO2的投入量較少時，用來吸附目標降解物的陶瓷和降解目標降解物的TiO2位點很少，所以亞甲基藍的去除速率很慢.當TiO2/微孔陶瓷使用量超過1 g時，去除率增加的趨勢變化不大，這主要是因為當催化劑用量過多時，大量的二氧化鈦不能參與降解過程，并且光照面積受容器的限制，所以亞甲基藍的去除率不會隨著TiO2/微孔陶瓷使用量的增加而一直增加[17-18]，因此TiO2/微孔陶瓷使用量1 g為宜.

圖8 TiO2/微孔陶瓷使用量對亞甲基藍溶液去除率的影響Fig.8 Effect of usage of TiO2/micro-porous ceramics on removal rate of methylene blue

2.2.3 TiO2/微孔陶瓷的重復使用穩定性

在實際應用中，TiO2光催化材料重復使用和穩定性尤為重要.由圖9可知，隨著使用次數的增加，亞甲基藍的去除率降低.在初次使用TiO2/微孔陶瓷時，亞甲基藍的去除率可達100%；在重復使用6次過程中，亞甲基藍的去除率均高于90%；當重復第7次使用時，亞甲基藍的去除率為89.97%.由以上結果可以說明，在去除亞甲基藍的過程中，是以TiO2的光催化降解為主.因為微孔陶瓷是通過吸附作用而去除溶液中的染料分子，當再次使用時，由于前一次的吸附飽和而幾乎喪失吸附能力.在多次使用過程中，TiO2/微孔陶瓷表現出較高的催化活性.這是因為TiO2不斷將微孔陶瓷吸附的染料分子降解，而實現載體再生和再利用，實現高效的工作.相比郭宇[19]制備的TiO2/氧化鋁重復使用5次過程中對亞甲基藍的降解率為82%±3%，本實驗制備的TiO2/微孔陶瓷具有更高的催化活性和更長的使用壽命.因此TiO2/微孔陶瓷的穩定性和使用壽命都較理想，使其在今后水處理領域的應用成為可能性.

圖9 TiO2/微孔陶瓷的重復利用次數Fig.9 Reutilization of TiO2/micro-porous ceramics

3 結論

1）利用溶膠-凝膠和浸漬工藝，將TiO2負載到微孔陶瓷表面及孔道，并且細小的納米級TiO2晶粒分布均勻，沒有出現團聚現象，成功制備了高穩定性和高催化活性的納米TiO2/微孔陶瓷光催化材料.

2）通過在微孔陶瓷上負載TiO2，載體提高了TiO2由銳鈦礦型向金紅石型的轉變溫度，使高催化活性的銳鈦礦型TiO2的燒成溫度寬化為500～800℃.

3）經過微孔陶瓷負載TiO2后，TiO2的吸收邊從407.4 nm減小到405.3 nm，出現藍移現象，帶隙能增加，由3.04 eV增加到3.06 eV，增加了0.02 eV，使電子-空穴對具有更強的氧化還原能力，提高了TiO2的光催化能力.

4）TiO2/微孔陶瓷在700℃煅燒，使用量為1 g，紫外光照5 h時，對亞甲基藍溶液6次降解過程的去除率均高于90%，TiO2/微孔陶瓷表現出較高的催化活性和使用穩定性.

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[責任編輯 田豐]

Preparation of TiO2/Micro-porous Ceramics and Photocatalytic Degradation on Methylene Blue

ZHAO Yan1,LIANG Xiuhong1,2
（1.Key Laboratory of Special Functional Materials for Ecological Environment and Information Ministry of Education，Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China；2.Institute of Power Source and Ecomaterials Science,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

The aim of this work is to solve the problem that powder of TiO2is easy to reunite,difficult to be separated from liquid and recycled.With micro-porous ceramics as carrier,TiO2/micro-porous ceramics photocatalyst was obtained by sol-gel and impregnation process.Changes of TiO2in the process of sintering,transition temperature from anatase to rutile after coated,interface combination status between carrier and TiO2,changes of semiconductor nature of TiO2after coated, photocatalyst properties and stability of TiO2/micro-porous ceramics on methylene blue were studied.The results showed the transition temperature from anatase to rutile increased from 700℃to 900℃after coated on carrier,TiO2was bonded to the surface and pore of micro-porous ceramics by physical method,the band gap of TiO2increased from 3.04 eV to 3.06 eV after coated on carrier,and the removal rate of methylene blue was all higher than than that of 90%under ultraviolet irradiation for 5 h with 1g TiO2/micro-porous ceramics within 6 times,thus showingthatTiO2/micro-porous ceramicshas high catalytic activity and stability.

micro-porous ceramics；sol-gel；titanium dioxide；photocatalytic；removal rate

TB332

A

1007-2373（2017）04-0046-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.008

2017-03-13

天津市科技支撐計劃（15ZCZDSF00030）

趙妍（1990-），女，碩士研究生.通訊作者：梁秀紅（1969-），女，副研究員，liangxiuhong071@163.com.