硅藻土負載片狀TiO2/Ag光催化劑的制備與性能研究

◎董明軒 王國慶 楊春梅 張旭

引言：硅藻土主要成分為SiO2,它是一種生物沉積硅質巖，在吉林省長白山地區儲藏豐富、價格低廉，且本身具有大量而有序排列的微孔、比表面積大、化學性質穩定等優點，可以作為催化劑載體、填充劑、過濾材料等。硅藻土表面含有大量的硅羥基和羥基更加有利于氣體分子在其表面的吸附，因此硅藻土作為光催化劑的載體更有利于提高光催化氣體分子的降解。

近年來，制備具有裸漏高活性晶面的半導體氧化物引起了越來越多的研究興趣。一些研究表明銳鈦礦型二氧化鈦單晶的不同面可能表現出不同的物理性質和化學性質。在二氧化鈦的（001）面中，氧原子和鈦原子高度共面，導致在光激發和電荷轉移過程中電子和空穴的復合概率較高。而對于（001）晶面，氧和鈦的原子層在空間處于分離狀態，可以有效地促進光生電子-空穴對的分離和轉移。在晶面雜亂的二氧化鈦晶體中，由于它們原子排列的不規則，只有一小部分電子和空穴轉移到二氧化鈦晶體的表面，并且（001）面可能作為光生電子-空穴對的復合中心，所以光催化效果不如具有大面積裸露的高活性晶面的TiO2催化效果好。由此可見，我們利用硅藻土負載片狀TiO2/Ag制備光催化劑，有利于促進光生電子-空穴對的分離和轉移，提高其光催化性能。

實驗部分：

室溫下，在燒杯中加入0.31ml HCl(36-38wt%)，在劇烈攪拌中加入0.55ml異丙醇鈦,攪拌15min后，加入乙醇和P123的混合物，攪拌30 min后加入20ml乙二醇后再攪拌30分鐘。將上述混合溶液轉移至水熱釜中加熱185℃恒溫5、10、15和24h，冷卻至室溫，離心洗滌干燥，加熱至500℃恒溫4小時，獲得片狀TiO2白色粉末，分別標記為TiO2-5，TiO2-10，TiO2-15和TiO2-24。取一定量的TiO2-5，TiO2-10，TiO2-15和TiO2-24粉末與質量分數為2%的0.01mol/L硝酸銀溶液混合，暗室下超聲30min然后攪拌30min，用300W氙氣燈照射4分鐘，將得到的產物用乙醇和水洗滌各洗滌兩次，放入烘箱中干燥，得到產物TiO2/2%Ag-5，TiO2/2%Ag-10，TiO2/2%Ag-15和TiO2/2%Ag-24。然后利用浸漬法制備硅藻土負載片狀TiO2/Ag復合光催化劑。

結果與討論：

紫外-可見光漫反射吸收主要是確定光催化的能帶寬帶以及測定光催化劑的光響應范圍，圖1為硅藻土負載的TiO2/2%Ag-5，TiO2/2%Ag-10，TiO2/2%Ag-15和 TiO2/2%Ag-24的紫外可見漫反射光譜。通過圖可以看出在400-500可見光區域尤其是450nm附近，材料表現出一定的吸光度，這是由于在復合催化劑表面的銀納米粒子表面等離子體共振所引起的。

圖1 硅藻土負載片狀TiO2/Ag的漫反射吸收光譜

通過分析硅藻土負載的 TiO2/2%Ag-5，TiO2/2%Ag-10，TiO2/2%Ag-15，TiO2/2%Ag-24的帶邊吸收波長分別為385、381、379和391 nm根據公式：

通過帶邊吸收波長可以計算出所制備樣品的TiO2的能帶寬度分別為3.22、3.25、3.27和3.17eV，可以發現TiO2能帶隨著反應條件的改變而發生了明顯改變，其中反應時間為24h樣品的能帶寬度最低。

我們按照《公共場所空氣中甲醛測定方法》GB/T18204.26-2016國家標準——酚試劑分光光度法對光催化甲醛氣體分子性能進行了檢測，結果如圖2所示。圖2是甲醛的吸收降解曲線和空氣中甲醛濃度隨時間變化曲線。比較幾種光催化劑（圖2a），發現硅藻土負載TiO2/2%Ag-15的催化性能是最高的，一小時以內甲醛的濃度降低了36%,TiO2/2%Ag-5，TiO2/2%Ag-5 TiO2/2%Ag-24的催化效率分別為16%、17%和13%。圖2b顯示了硅藻土負載TiO2/2%Ag-15光催化劑在20小時內幾乎將環境中的甲醛完全降解。

圖2 a：可見光照下，不同催化劑的甲醛濃度隨時間變化曲線；b：可見光照下硅藻土負載TiO2/2%Ag-15對空氣中甲醛的降解曲線。

結論

我們利用簡單的水熱法和浸漬法成功的制備了四種硅藻土負載片狀TiO2/Ag光催化劑，紫外-可見漫反射光譜表明光催化劑在400-500可見光區域尤其是450nm附近，表現出較好的可見吸收。光催化劑催化性能表明硅藻土負載TiO2/2%Ag-15的催化性能是最好，一小時以內甲醛的濃度降低了36%，20h內可將環境中甲醛分解完全。