TiO2/Fe3O4復合光催化劑的制備、表征及光催化性能研究

*李鑫 段莉梅 桑海迪 邢艷嬌

(1.通遼市科爾沁區環境保護局 內蒙古 028000 2.內蒙古民族大學化學化工學院 內蒙古 028000)

TiO2/Fe3O4復合光催化劑的制備、表征及光催化性能研究

*李鑫1段莉梅2桑海迪2邢艷嬌1

(1.通遼市科爾沁區環境保護局 內蒙古 028000 2.內蒙古民族大學化學化工學院 內蒙古 028000)

采用化學共沉淀法制備磁性納米Fe3O4作為磁載體,以溶膠-凝膠法制備TiO2/Fe3O4復合光催化劑,采用XRD、紅外光譜分析等手段對其表征.以亞甲基藍水溶液為模擬污染物,測試TiO2/Fe3O4復合光催化劑的光催化性能,光照30分鐘后,亞甲基藍的脫色率可達到96.5%.汞燈照射下催化劑的重復循環三次的效率也可以達到95%,通過多次循環利用催化劑測試亞甲基藍的降解率,TiO2具有較高的光穩定性和反應活性,是一個能高效光催化降解有機污染物的催化劑.

磁性光催化劑;亞甲基藍;光催化;降解率

磁性光催化劑產生于光催化領域,常見的光催化劑多為金屬氧化物和硫化物.TiO2具有良好的抗光腐蝕性和催化活性,而且性能穩定,價廉易得,無毒無害,是目前公認的最佳光催化劑,所以說TiO2是一種高活性的光催化劑.該項技術不僅在廢水凈化處理方面具有巨大潛力,還在空氣凈化方面同樣具有廣闊的應用前景.

1894年,Fenton H J.發現了芬頓試劑后,進行了氧化蘋果酸的實驗,并取得了較好的效果.Fenton反應以Fe2+作為其催化劑,通過催化H2O2產生HO?,利用其超強的活性和氧化性(氧化電位2.8ev),其電子親和能則能達到569.3kJ .

本文通過共沉淀法制備Fe3O4,然后通過溶膠-凝膠的方法制備復合催化劑.將兩種氧化物通過化學鍵進行重組,既增強復合催化劑的反應活性,又增強了他們的循環穩定性.

1.材料與方法

(1)材料與主要試劑:三氯化鐵(西隴化工 分析純);無水乙醇(天津市風船化學試劑 分析純);硫酸亞鐵(西隴化工 分析純);次甲基藍(天津市東麗區天大化學試劑分析純);過氧化氫溶液(天津市光復精細化工研究所 分析純).

(2)實驗方法

Fe3O4樣品制備采用共沉淀法制備Fe3O4,主要步驟如下:分別將FeCl3和FeSO4(Fe3+與Fe2+的摩爾比為1:1),將兩種固體混合后溶于蒸餾水中攪拌完全溶解,緩慢滴加濃度為1mol/L氫氧化鈉的溶液,直至溶液體系pH值為11.然后在60℃水浴下反應2h,磁力沉降,將所得的黑色沉淀分別用蒸餾水和無水乙醇洗滌3-5遍后,減壓抽濾,50℃下真空干燥,最后自然冷卻后得到Fe3O4樣品.

TiO2/Fe3O4復合催化劑的制備 取0.377g Fe3O4粉末,尿素2.07g蒸餾水80mL,一定量的硝酸,調節pH=2,形成A溶液.P25 2g,無水乙醇10mL,超聲分散15min,形成B溶液.將B滴加到A中,70℃水浴加熱,高速攪拌3h,室溫陳化3.5h,去離子水洗三次,乙醇洗滌兩次,用磁鐵進行分離,100℃干燥3h,即可得到灰色的TiO2/Fe3O4復合催化劑.

光催化實驗:取100毫升10mg/L的亞甲基藍溶液和20mg催化劑,把反應器放入到避光箱內,打開磁力攪拌器,在避光條件下攪拌30min,使催化劑在黑暗狀態下吸附染料,并使其混合均勻,然后測量pH值,攪拌均勻后立即取出部分試樣放入離心機中離心,之后取其上層清液利用紫外可見分光光度計測其吸光度,打開循環水,將混合溶液放入到250 W高壓汞燈下照射,每隔20min取一次樣,離心后取其上層清液測其吸光度.

2.結果與分析

(1)X-射線粉末衍射分析:TiO2,Fe3O4,TiO2/Fe3O4復合催化劑的X-射線粉末衍射圖見圖1,在30.1°,35.5°,37.1°,43.0°,56.9°,62.5°出現了明顯的Fe3O4特征衍射峰,分別對應Fe3O4的(112)(211)(202)(220)(303)(224)晶面,所以出現的衍射峰對應于Fe3O4的斜方晶面,說明我們合成的Fe3O4具有較高的純度和結晶度.

圖1 TiO2,Fe3O4,TiO2/Fe3O4復合催化劑的X-射線粉末衍射圖

(2)紅外圖譜分析TiO2,Fe3O4,TiO2/Fe3O4復合催化劑的紅外圖譜分析見圖2,在580cm-1處出現了Fe-O典型的伸縮振動.Fe3O4/TiO2的紅外譜圖中位于500-900cm-1的峰為Ti-O-Ti的振動峰.

圖2 TiO2,Fe3O4,TiO2/Fe3O4復合催化劑的紅外圖譜

(3)樣品的磁性測試與重復使用性能.圖(a)為TiO2/Fe3O4與水溶液混合照片,在室溫下可以均勻分散在水中,圖(b)為外加磁場的作用下所制備的TiO2/Fe3O4與水溶液分離情況照片,由圖可見,降解反應結束后,借助外加磁場可以在2min之內將催化劑從溶液中分離出來.

圖3 催化劑的磁性測試照片

(4)汞燈照射下催化劑對亞甲基藍降解率的影響.亞甲基藍初始濃度為10mg/L、20mgFe3O4為催化劑,汞燈照射下,120 min時次甲基藍的降解率不到30%;相同條件下,以TiO2/Fe3O4為催化劑時,亞甲基藍的降解率可達到90%以上.

圖4 汞燈照射下催化劑對亞甲基藍降解率的測定

(5)催化劑的循環穩定性.在相同實驗條件下,通過測定催化劑對10mg/L的亞甲基藍染料的三次循環使用后的降解率,該催化劑三次重復使用后,雖然染料的降解率隨著使用次數的增加呈下降趨勢,但是光照120min后達到的亞甲基藍降解率高于80%,表明該催化劑多次循環使用后仍然有較好的光催化活性,易于回收,重復使用.

圖5 汞燈照射下催化劑循環穩定性的測定

3.結論

本文通過共沉淀法制備出了Fe3O4,再與P25進行復合,制備出TiO2/Fe3O4復合催化劑.使用X-射線粉末衍射和紅外光譜分析,對其進行了表征.實驗表明,TiO2/Fe3O4復合催化劑對降解亞甲基藍具有較高的活性和良好的循環穩定性,同時TiO2/Fe3O4復合光催化劑可以磁性回收重復循環使用,有利于實際應用.

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李鑫(1988-),男,通遼市科爾沁區環境保護局;研究方向:無機化學、環境化學.

Preparation, Characterization and Photocatalytic Properties of TiO2/Fe3O4Photocatalyst Composites

Li Xin1, Duan Limei2, Sang Haidi2, Xing Yanjiao1
(1. Horqin Environmental Protection Bureau, Tongliao, Inner Mongolia, 028000

2. College of chemistry and chemical engineering Inner Mongolia University for the Nationalities, Inner Mongolia, 028000)

By chemical prepare magnetic Fe3O4as the magnetic of TiO2composite sol-gel chemical method prepare magnetic Fe3O4as the magnetic carrier and preparation of TiO2/Fe3O4composite by sol-gel method, performance test of TiO2/Fe3O4composite, light after 30 minutes,blue rate can reach the catalyst 96.5 percent. light beam the catalyst cycle repeats 3 times the efficiency can also be reached 95 percent, and the many recycling catalyst test Blue degradation rate, TiO2has a high optical stability and response reactive, and is an efficient light-catalyzed organic pollutants as a catalyst .

magnetic photocatalyst;methylene blue;photocatalytic;degradation rate

O

A