TiO2介晶催化劑的制備與性能研究

摘要：利用三聚氰胺與偏鈦酸為主要材料，制備出g-C3N4/TiO2介晶催化劑，以此為基礎，通過X射線衍射、N2物理吸附、傅里葉紅外光譜、紫外可見光漫反射吸收光譜與熒光譜檢測等方式，對g-C3N4/TiO2介晶催化劑性能予以檢測。通過檢測發現，該催化劑的禁帶寬度較低，僅有2.42 eV，在紫外與可見光區間內，都具有良好的吸收性，比表面積顯著提升，光生電子與空穴復合率降低，同時在500 ℃煅燒條件下，持續煅燒1.0 h，且g-C3N4與TiO2的比例在2∶1時，其可見光活性達到峰值；在30 min之內，NOx的去除率較高，可以達到50.19%，遠遠高于常規g-C3N4催化劑。

關鍵詞：g-C3N4/TiO2介晶催化劑；禁帶寬度；X射線衍射

工業化迅猛發展的今天，使得現代社會中的NOx污染問題越加嚴重，對人類生存及環境保護具有較大的危害。這一背景下，國內外用各種方式對自然界中的NOx進行處理，如吸附法等，在一定程度上降低了自然環境中NOx的含量。但需要注意的是，現有處理方法依然存在較多缺陷，如對設備要求較高，可能出現二次污染問題等，并未真正達到現代社會可持續發展的需求［1］。近年來，隨著科學技術的不斷發展，逐漸提出了一種應用效果更加良好的NOx處理方法，即光催化技術。該技術中的主要材料TiO2介晶催化劑，與傳統催化劑相比具有更高的光催化活性，但該類型催化劑對禁帶寬度要求較高，在一定程度上又制約了它的應用效果。所以，為了進一步提升TiO2介晶催化劑在NOx處理中的應用效果，需要在此基礎上，通過添加g-C3N4等材料，制造出更加先進的g-C3N4/TiO2介晶催化劑。

1實驗設計

1.1實驗材料與設備

本次研究當中，主要采用了以下設備與材料：由鑫苒化工生產的，含水量為60%的工業偏鈦酸［TiO（OH）2］；由廣奧生物科技生產的，等級為化學純級，質量分數超過98.5%的三聚氰胺（C3H6N6）；由朝陽氣體生產的標準壓縮空氣與NOx。由賽多利斯生產的，型號為BSAGL124的電子天平，其測量精確性為0.1 mg；由冠博仕科技生產的，型號為GW1522的超聲震蕩儀；由馬力宇窯爐公司生產的，型號為LYL-16CMA-3的馬弗爐；由天虹儀表公司生產的，型號為TH-2201H的NOx分析儀。

1.2實驗方法

1.2.1催化劑的制備

單因素試驗時，以電子天平為主要工具，分別稱量出5 g的TiO（OH）2及10 g的C3H6N6，并放置到潔凈的坩堝內。添加20 mL純凈水后，將混合溶液攪拌均勻，并放入到超聲震蕩儀中，振蕩處理0.5 h后，平均分成5份，并依次倒入5個坩堝內，編號依次為1、2、3、4、5。將所有坩堝放置到馬弗爐內，分別煅燒一定的時間后進行檢測。檢測過程中，主要選擇了3個檢測指標，分別為：（1）C3H6N6與TiO（OH）2的質量比（M）。煅燒條件固定，溫度設置成450 ℃，時間設置成1.5 h，共設置5個等級的質量比，分別是1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1。（2）煅燒時間（S）。溫度均設置成450 ℃，質量均設置成1∶2，共設置6個時間等級，分別是0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h。（3）煅燒溫度（W）。時間均設置成1.5 h，質量比設置成1∶2，共設置6個溫度等級，分別為350、400、450、500、550、600 ℃。與此同時，設置一個空白組，分別稱量出10 g的TiO（OH）2及10 g的C3H6N6，分別放入到6、7號坩堝內，以此作為空白對照，材料煅燒時，溫度設置成500 ℃，時間設置成1.5 h。

正交試驗時，采用正交表L9（34），結果通過極差分析，用于尋找出質量比、煅燒時間、溫度的最佳組合。

1.2.2催化劑的表征

催化劑表征分析時，主要采用的是下述幾種方法：傅里葉變換紅外光譜法，儀器由萊頓科學儀器有限公司生產，型號為FTIR-850。紫外可見光漫反射吸收光譜法，儀器由虹科科技生產，型號為HK IndiGo OEM UV/Vis。X射線衍射法，儀器由通達科技公司生產，型號為TD-3500。比表面積分析法，儀器由貝士德儀器生產，型號為3H-2000A。PL熒光光譜法，儀器由卓立漢光公司生產，型號為OmniPL-LF325。

1.2.3催化劑的活性評價

活性評估實驗中，將NOx當作目標反應物，操作流程為：

（1） 準備樣品。在潔凈的燒杯內，添加0.10 g的樣品，并倒入30 mL的去離子水，將混合液放置到超聲震蕩儀后，震蕩處理10 min將試樣取出，并倒入到半徑為6 cm的玻璃圓盤上，在45 ℃條件下，對試樣烘干處理。

（2） 配置實驗用氣。分別將標準空氣與NO氣體導入到光催化反應器內，其中，前者的流速設置成1.2 L/min，后者的流速設置成15 mL/min。在反應器的另一端，與NOx分析儀相連，并將分析儀中的O3打開。

（3） 檢測與記錄。確保含有試樣的圓盤保持干凈后，將其放入光催化反應器當中。在NOx分析儀內，將間隔時間設置成1 min以此對NOx予以檢測，共選取5個點，待NO質量濃度處于520 μg/L時，將LED光源啟動，記錄下啟動時間，并觀測NO的初始質量濃度。經過一段時間分析，待NO質量濃度再次達到平衡時，表示本次反應結束，將LED燈閉合，記下閉合時間，觀測NO的質量濃度。

2結果與討論

2.1最佳工藝的確定

通過L9（34）正交試驗，可以得到如表1所示結果。通過該表的觀察能夠發現，M、S、W 3個指標的極差R依次是2.53、4.49與5.42，由此表明，在3個指標當中，煅燒溫度W對材料活性的影響最為顯著，而質量比M的影響最弱。由k值能夠發現，最好的組合是M2、S1與W3。即質量比設置成1∶2，煅燒時間設置成1 h，煅燒溫度設置成500 ℃，并將該物質命名成500-1.0-1∶2-C3C4/TiO2。

2.2X射線衍射（XRD）分析

通過XRD分析發現，若M設置成1∶3，介晶催化劑于2θ=27.4°時，呈現為g-C3N4特征峰，這時因C3H6N6脫氨后，出現了3-s-三嗪單元，之后通過聚合處理后，產生g-C3N4導致的。煅燒時間的不斷延長，溫度的逐漸升高，介晶催化劑中TiO2的特征峰越來越完整，但在g-C3N4方面，特征峰則不是很顯著，這是因為在介晶催化劑中，g-C3N4含量過低，并未完全檢測而導致的。此外，于2θ=27.4°與2θ=25.3°時，分別體現了g-C3N4與TiO2的特征峰，由此表明，在該介晶催化劑當中，同時包含了g-C3N4與TiO2兩類成分。

2.3傅里葉紅外光譜（FTIR）分析

通過FTIR分析可以發現，在所制備的催化劑及g-C3N4當中，在3 100～340 cm-1內，均存在很寬的吸收峰，這是因為在兩種物質內，均存在芳香環缺陷位的NHx基團導致的［2］。而在1 050 cm-1處，新材料與TiO2均發生了Ti—O—Ti鍵的伸縮振動。由此表明，新材料中同時包含TiO2、g-C3N4兩類材料。

2.4N2-物理吸附（N2-BET）分析

通過N2-BET分析可以發現，不論是TiO2、g-C3N4，還是制備出來的介晶催化劑，脫附等溫線都處于吸附等溫線之上，同時，在p/p0 00.6～1.0區間當中，可產生清晰的H3吸附滯后回環，這是受到材料介孔形狀與尺寸導致的。同時，相對于兩種原材料來說，新催化劑的比表面積更大，孔徑更小，這是因為兩種原材料通過一系列處理時，出現了片層結構螯合現象［3］。由此表明，相對于TiO2、g-C3N4來說，新材料的光催化活性出現了明顯改變。具體如表2所示。

2.5紫外可見吸收光譜（UV-Vis）分析

通過UV-Vis分析能夠發現，在紫外及可見光范圍中，新材料存在很強的吸收性，這是因為在可見光照射下，將材料中g-C3N4的電子激活，并轉移到TiO2上，以此提升了新材料的可見光響應范圍。對于TiO2、g-C3N4來說，禁帶寬度分別是3.12 eV與2.70 eV，而在新材料當中，禁帶寬度則是2.42 eV，減小幅度顯著，這是因為材料中添加g-C3N4后，使材料內出現了N→Ti配位鍵，以此優化了催化劑內部的電子結構［4］。

2.6熒光光譜（FS）分析

通過FS分析能夠發現，在420～500 nm處，g-C3N4呈現發光峰，這與其自帶的2.70 eV相匹配。同時，在該光譜處，新催化劑也呈現出發光峰，但在強度方面則略有減弱，由此表明，在新制備的材料當中，復合率明顯降低，以此構建出更加良好的內電場，賦予整個材料更強的光催化活性［5］。

3結論

以TiO（OH）2、C3H6N6為主要材料，制備出了g-C3N4/TiO2介晶催化劑，其中，兩種材料的質量比設置成1∶2，煅燒時間設置成1.0 h，煅燒溫度設置成500 ℃。相對于傳統g-C3N4催化劑來說，新催化劑的催化效率明顯更高，可以達到51.19%，提高了1倍以上。同時，新催化劑的比表面積更大，禁帶寬度更低，當吸收帶達到512 nm時，可出現更加顯著的紅移現象。而且電子與空穴復合率更低，可將光活性大幅度提升，可將其應用到NOx處理領域。

參考文獻：

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