BaTin02n+l光催化性能和結(jié)構(gòu)關(guān)系的探究

馮海東

【摘要】開展樣品的光催化活性檢測(cè)試驗(yàn)，用甲基橙作為染料光降解模型，探討在不同酸性條件下BaTinO3、BaTin2O5及BaTin4O9的降解率。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在酸性條件相同時(shí)，BaTin3O9的光催化活性最高，BaTin03最低;堆積率越低，則提示材料晶體結(jié)構(gòu)越開放。以上三種材料中，結(jié)構(gòu)開放度越大，光催化性能越優(yōu)良。

【關(guān)鍵詞】BaTinO2n+1光催化性 甲基橙堆積率

BaTinO2N+1（n=1，2，4）粉末是采用sol- gel方法制取的聚合物前驅(qū)體，其是在8000C高溫環(huán)境下燒制而成的。目前，BaTinO3、BaTin2O5及BaTin4O9在陶瓷制作領(lǐng)域中有較廣泛應(yīng)用，近些年，鈦酸鋇在光催化領(lǐng)域中有所使用，這得到了人們的較高關(guān)注。但關(guān)于BaTinO3、BaTinO5、及BaTinO9三者在光催化性能上的差異，相關(guān)研究工作并沒未深入進(jìn)行。鑒于此，文章對(duì)以上三種鈦酸鋇材料的光催化性活性開展分析，并引入堆積率概念，以更好的解讀材料開放度和光催化性能間的相關(guān)性。

1、試驗(yàn)過程

1.1制取光催化劑

利用sol-gel方法制取BaTinO2n+1（n=1.2，4）粉末，起始原料以硝酸鋇Ba（NO3）2、檸檬酸（C6H807-H2O）、鈦酸四丁脂Ti（OC4Hg）4、氨水等為主，以上原料均是分析純。預(yù)制50%C6H8O7.H2O，滴入適量氨水將pH值調(diào)整至6，隨即溶入Ti （OC4H9）4，Ti （OC4H9）4和C6H8O7.H20兩者質(zhì)量比為1：1。混合液內(nèi)會(huì)形成片狀沉淀物，逐漸溶解。于50%C6H8O7.H20內(nèi)加適量硝酸鋇，設(shè)兩者摩爾比為2：1，制檸檬酸鋇溶液為鋇源。在制取BaTinO3、BaTin2O5及BaTin4O9時(shí)，依照一定的化學(xué)計(jì)量比分別取相應(yīng)體積的檸檬酸鋇與檸檬酸鈦溶液混合，調(diào)整酸堿度至6～7，加入乙二醇以防粉體出現(xiàn)團(tuán)聚。將混合后的溶液安放于120℃烘箱內(nèi)，歷經(jīng)蒸發(fā)、烘干后，取樣品予以研磨，把磨好粉料導(dǎo)入坩堝并于800℃高溫條件下持續(xù)煅燒2h。

1.2光催化降解實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)期間取甲基橙作為染料模型。量取提前制備好的10mg/L甲基橙溶液300mL，與0.68催化劑粉體共同整合至反應(yīng)器內(nèi)，調(diào)整溶液的酸堿度。紫外燈光源開始運(yùn)作時(shí)，反應(yīng)器遁冷卻水維持恒溫。隔一定的光照時(shí)間后取混合液樣品，使用離心機(jī)分離，獲得下層清液，分光光度計(jì)分析清液，獲得其對(duì)應(yīng)的吸收曲線。伴隨時(shí)間的推移，其特征吸收峰（X=464nm）強(qiáng)度緩慢下降，剩余率為各時(shí)間取樣的吸收峰峰值與母液峰值兩者的比重。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)BaTinO3、BaTin2O5及BaTin4O9的XRD圖譜進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中所用的樣品均為純相。

對(duì)不同樣品的紫外一可見光吸收光譜進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)伴隨Ti含量增加，其吸收邊有持續(xù)南移的趨勢(shì)。結(jié)合既往相關(guān)人員的研究結(jié)果，于吸收光譜最陡峭處作切線，初始波長(zhǎng)是切線和吸收光譜長(zhǎng)波段的平滑線延長(zhǎng)線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)。按照如上方法能獲知BaTinO3、BaTinO5、及BaTinO9的吸收邊依次位于394、391與356nm處。依公式Eg（eV）-1240/g（nm）測(cè)算出BaTinO3、BaTin2O5及BaTin409的能隙依次是3.15、3.19與3 48eV。

當(dāng)pH位4.5時(shí)，BaTin4O9降解效果最好，BaTinO3最差，BaTin2O5居中。紫外光持續(xù)照射1.5h后，BaTin03、BaTin205及BaTin4O9依次降解了10%、24%、76%的甲基橙。當(dāng)pH為3.2時(shí)，三種催化劑的降解規(guī)律一致，即BaTin03

從能帶構(gòu)成的角度分析，BaTinO3、BaTin2O5及BaTin4O9具有相似度較高的能帶結(jié)構(gòu)，光催化活性、惰性中心依次是Ti4+、Ba2+，Ti3d軌道組成了導(dǎo)帶，價(jià)帶的構(gòu)成以02p印軌道為主。結(jié)合過往研究成果，針對(duì)該類類能帶結(jié)構(gòu)高度相似的不同半導(dǎo)體，可以對(duì)催化劑的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征出發(fā)去分析其光催化活性差異性，對(duì)BaTi-nO3、BaTin2O5及BaTin4O9的晶體結(jié)構(gòu)分別分析后，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)存在著兩種隧道，大孔徑隧道不僅能納入Ba2+，還存在著空隙，小隧道未填充任何離子、對(duì)以上三種結(jié)構(gòu)的[TiO6]八面體堆積的規(guī)整度進(jìn)行比較，有BaTin03>BaTin2O5>BaTin4O9的結(jié)論。

BaTinO2n+1（ n=1，2，4）是典型的鈦電材料，在多種擾動(dòng)因素的作用下還會(huì)是其結(jié)構(gòu)內(nèi)[TiO6]八面體發(fā)生一定形變。為定性分析電子傳輸過程的難易程度，我們引入了堆積率的概念，其是單位晶胞中全部構(gòu)成離子的體積在整個(gè)晶胞體中所占有的百分比。實(shí)際上，堆積率與材料的電子結(jié)構(gòu)及物理性能密切相關(guān)，堆積率越小提示結(jié)構(gòu)的開放度越高，原子核的可移動(dòng)性就越大，進(jìn)而促進(jìn)原子軌道極化、電子一空穴對(duì)的形成過程，此時(shí)發(fā)生光催化反應(yīng)更容易。通過查閱相關(guān)資料及換算后得出，數(shù)據(jù)手冊(cè)中查出或換算得出，BaTi-nO3、BaTin2O5及BaTin4O9的堆積因子依次是62.59%、60. 04%、5942%，說明的BaTinO3堆積率最大，BaTin2O5次之，BaTin4O9最小。

3、結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)探究了BaTinO2n+1（ n=1，2，4）在不同酸性條件下光催化降解甲基橙的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)表明，在不同pH值，催化劑的光催化性能均呈現(xiàn)出一致規(guī)律，即BaTinO3

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