中空核殼型光催化劑Co3O4@TiO2的制備及其降解優(yōu)化

徐 榕，賈 碧，陳思靜

（重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331）

自二十世紀(jì)末至今，隨著社會(huì)不斷的向前發(fā)展，我國經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)以及工業(yè)水平的不斷提高，但各種合成有機(jī)化合物以各種方式進(jìn)入水和大氣，使我們生活的環(huán)境受到嚴(yán)重污染，我國飲用水源水質(zhì)也在惡化。水污染已經(jīng)嚴(yán)重影響到了人們的正常生活，是一個(gè)亟待解決的熱點(diǎn)問題。光催化降解一種新型高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的水污染治理技術(shù)[1]，它是在光照下催化劑被激活以達(dá)到催化效果。光催化劑的活化條件為光照，在黑暗條件下其催化活性相對(duì)較低，而在光照條件下其催化活性迅速增加。光催化技術(shù)具有反應(yīng)速度快、能耗低、反應(yīng)溫和以及對(duì)反應(yīng)物無選擇性完全礦化等優(yōu)點(diǎn)，是近二十年來廢水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。

響應(yīng)面模型是一種分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件的統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型，在應(yīng)用化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品科學(xué)和生物技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。本文制備了中空核殼型Co3O4@TiO2復(fù)合光催化劑，采用三因素三水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型，以期為光催化在降解領(lǐng)域的應(yīng)用推廣提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

硝酸鈷，六水（分析純，上海鼎芬化學(xué)科技有限公司）；氨水（分析純，重慶吉元化學(xué)有限公司）；鈦酸丁酯（分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠）；氟硼酸鉀（分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠）；雙氧水（分析純，天津政成化學(xué)制品有限公司）。

1.2 光催化劑制備

采用軟膜板法制備中空Co3O4微球，進(jìn)而結(jié)合溶劑熱法在其表面包覆TiO2殼，制備出中空核殼型Co3O4@TiO2光催化劑。

1.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

以羅丹寧B為目標(biāo)污染物，采用去離子水進(jìn)行稀釋，以HNO3溶液以及NaOH對(duì)目標(biāo)污水的pH進(jìn)行調(diào)節(jié)。

羅丹寧B脫色率采用比色法進(jìn)行表征[3]，公式為：

其中，C0為羅丹寧B溶液初始濃度，Ct為光照時(shí)間為t時(shí)的濃度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 XRD分析

圖1分別為 Co3O4微球，TiO2微球以及Co3O4@TiO2核殼微球XRD圖譜。由圖1可知，所制備的Co3O4為尖晶石型結(jié)構(gòu)，TiO2為銳鈦礦型結(jié)構(gòu)，Co3O4@TiO2包含了Co3O4以及TiO2的衍射峰，證明實(shí)驗(yàn)成功制備了Co3O4@TiO2復(fù)合微球。

圖 1 (a)Co3O4@TiO2（b）TiO2(c)Co3O4微球的XRD圖譜

2.2 響應(yīng)面擬合

在初始濃度已知且恒定的條件下，選取初始pH，光照強(qiáng)度以及催化劑濃度作為影響因素，單因素試驗(yàn)反映了初始pH為6～10，光照強(qiáng)度為12～24μW/cm2，催化劑投入量為 60～100mg/L。在此基礎(chǔ)上采用三因素三水平實(shí)驗(yàn)，使用BBD法可得羅丹寧B脫色率與各因素之間的擬合模型：

其中，Q表示羅丹寧B脫色率（%），A表示初始pH，B表示光照強(qiáng)度，C表示催化劑濃度。模型R2=0.9947，RAdj2=0.9853，RPred2=0.9162，可知構(gòu)建模型可擬合該實(shí)驗(yàn)，具有參考價(jià)值。

2.3 二次回歸擬合及ANOVA分析

通過檢驗(yàn)?zāi)Ｐ透饕蛩氐娘@著性，所得結(jié)果如表1所示。由P＜0.0001可知該模型顯著回歸，F(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果顯示模型中的各因素貢獻(xiàn)率初始催化劑濃度＞pH＞光照強(qiáng)度。

表1 回歸模型方差分析

分別以考慮的因素兩兩為坐標(biāo)軸，做3D響應(yīng)曲面圖[4]，如圖2所示。

圖2 （a）pH與光照強(qiáng)度（b）pH與催化劑濃度（c）光照強(qiáng)度與催化劑濃度交互響應(yīng)曲面圖

由3D響應(yīng)曲面圖（圖2）可知，各參數(shù)之間交互性較弱，可以忽略，且可知所考察因素條件下，最佳降解條件為：初始pH=8，光照強(qiáng)度=18μW/cm2，催化劑濃度為80mg/L。

3 結(jié)論

采用溶劑熱法制備了中空核殼型Co3O4@TiO2微球并用于降解污水，考慮的參數(shù)條件為初始pH，光照強(qiáng)度及催化劑加入濃度。最佳降解條件為初始pH=8， 光照強(qiáng)度=18μW/cm2，催化劑濃度為80mg/L。