磷鎢酸/TiO2復合光催化材料的制備和表征

蘭文蘭(哈密職業技術學院，新疆 哈密 839000)

0 引言

TiO2具有優良的光催化能力，并且化學穩定性好、無毒、價廉。然而，由于TiO2光生電子和光生空穴容易復合，而且它的禁帶比較寬，利用太陽能的效率低僅為3%，極大限制了TiO2的應用[1-2]。磷鎢酸兼具酸性和氧化性，化學穩定性較好，催化活性高，且對環境友好，其具有的獨特的結構在反應中可以進行氧或電子的傳遞。將TiO2與磷鎢酸有機結合，可以形成捕獲中心轉移電子，增大載流子擴散長度，使空穴和電子壽命有效延長，對電子-空穴重新結合形成抑制，使光催化活性得以提升[2-6]。本研究嘗試以浸漬法制備H4PW12O40/TiO2高效催化劑，并通過X-射線衍射、紅外分析、拉曼光譜分析等手段對H4PW12O40/TiO2光催化材料的結構形態進行了表征。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

實驗中用到的儀器如表1所示。

實驗所用磷鎢酸，鈦酸四正丁酯，硫酸鐵，無水乙醇均為分析純。

表1 實驗儀表

1.2 實驗過程

1.2.1 TiO2的合成

乙醇與鈦酸丁酯溶液的制備是在10體積鈦酸丁酯溶液中混入1體積無水乙醇。選取分液漏斗將得到的溶液向蒸餾水中滴加，強力攪拌避免形成凝膠或是出現不均勻沉淀，完成滴加操作后，將溶液靜置6～8h，通過烘箱進行烘干，采取研磨煅燒的方式來制備納米TiO2。

1.2.2 磷鎢酸的負載化

從制備的TiO2粉末中稱取1g備用，將其在一定體積的磷鎢酸溶液內浸漬，80℃環境下進行3h攪拌，再進行110℃烘干，設置溫度后進行焙燒，以此獲取復合催化劑[4-5]。

2 催化劑的表征

2.1 XRD分析

樣品H4PW12O40/TiO2的XRD圖見圖l。如圖，樣品H4PW12O40/TiO2的XRD 譜圖中出現了10.08°、20.6°、25.3°、28.20°、34.3°的特征衍射峰，證實此時的H4PW12O40/TiO2催化劑具有完整的Keggin結構，H4PW12O40成功負載到TiO2上。

圖1 H4PW12O40/TiO2的XRD圖

2.2 EDAX分析

采用掃描電鏡EDAX能譜儀對樣品H4PW12O40/TiO2進行了元素測定，測定結果見圖2。EDS譜圖表明，Ti、P、W等元素存在于樣品H4PW12O40/TiO2中，Ti、P、W等元素的含量(wt%)分別是：Ti:5.37%，P:0.74%，W:72.59%，與理論值相差不大(Ti:5.45%，P:0.98%，Si;8.87%，W:69.63%)[4]。

圖2 H4PW12O40/TiO2的EDAX圖

2.3 FT-IR分析

圖3是樣品H4PW12O40/TiO2的FT-IR分析譜圖。圖中可以看到，在1100～750cm-1范圍內，樣品表現出三個特征峰，為Keggin結構的雜多酸陰離子的特征吸收帶。P-Oa伸縮振動峰在1080cm-1處，W=Od鍵的伸縮振動峰在980cm-1處，W-Ob-W鍵的伸縮振動峰在892cm-1處，表明磷酸鹽的基本骨架結構仍保留在樣品中，這個結果與XRD分析一致。H4PW12O40/TiO2的IR吸收峰在TiO2和H4PW12O40作用下會出現一定范圍寬化，存在輕微峰位位移的情況。FT-IR結果表明，H4PW12O40和TiO2之間只是簡單的物理吸附，而不存在較強的化學作用[4-5]。

圖3 H4PW12O40/TiO2的FT-IR圖

2.4 激光拉曼表征

樣品H4PW12O40/TiO2的拉曼散射光譜，見圖4。圖中顯示，樣 品 在1006cm-1、988cm-1、900cm-1、533cm-1、414cm-1、149cm-1處出現了的幾個主要的拉曼吸收峰，分別對應H4PW12O40的W=Od的伸縮振動，橋式氧(Ob/Oc)與金屬W鍵的振動(W-Ob-W伸縮振動以及W-Oc-W的反對稱伸縮振動)以及銳鈦礦TiO2的W=Od、W-Ob-W和W-Oc-W的伸縮振動方式，說明H4PW12O40/TiO2仍然保留著磷酸鹽的基本骨架結構，TiO2已經成功負載H4PW12O40，這與之前的表征結果一樣。由于H4PW12O40和TiO2之間存在強烈的物理作用，相對于純的H4PW12O40峰，樣品的W=Od、W-Ob-W以及W-Oc-W的峰有著更弱的強度，也存在輕微峰位位移的情況[4]。

圖4 H4PW12O40/TiO2的Raman圖

3 結語

采用溶膠-凝膠結合浸漬、焙燒等技術，制備出負載型多金屬氧酸鹽納米材料：H4PW12O40/ TiO2復合催化劑。利用X-射線粉末衍射、掃描電鏡能譜儀、紅外分析、激光拉曼等方法來表征上述材料結構和測定材料組成層，從結果可以看到，制備的產物具有Keggin型H4PW12O40的特征吸收譜帶和特征峰，具備其基本骨架結構。