水熱法合成不同形貌鈦酸鍶及其光催化性能研究

唐丹丹,徐 慢,2,王樹林,2,張佳杰

(1.武漢工程大學材料科學與工程學院,武漢 430205;2.武漢工程大學湖北省環境材料與膜技術工程技術研究中心,武漢 430074)

自21世紀以來,我國印染行業一直在飛速發展。染料被廣泛應用于食品、醫藥、印染和化妝品等行業。但是每排放1 t染料污水,就會污染20 t的水體。目前常見的處理染料污水的方法主要有混凝沉降法、生物法、超聲氧化法、試劑法等,但這些方法普遍存在處理費用高、處理流程復雜等方面的不足[1]。因此,要解決染料污水的問題,應該從實際出發,尋找一種綠色環保且經濟實惠的染料污水處理技術。近年來光催化技術被廣泛應用于有機污水處理。相比于傳統的污水處理技術,光催化技術可以更加高效地降解水中復雜的污染物,且治理過程中只需要用到廉價的太陽能,節能環保且無污染[2,3]。

當前，內網安全已經成為信息安全的焦點問題，內網安全技術和標準也在發展與成熟的過程中，隨著企業對于安全性認識的不斷加深，融合多項技術方案的內網安全解決體系建設將成為內網安全的主要發展目標。

鈦酸鍶(SrTiO3)是典型的鈣鈦礦結構,具有介電常數高、介電損耗低、熱穩定性好等優點,被廣泛應用于陶瓷電容器、氣體傳感器和光催化材料等方面,是極有前途的介電和光催化技術的候選材料之一[4-6]。然而,光催化劑的要求增加了人們對高純度、低尺寸、窄分布和高活性的SrTiO3晶體的關注。在以往的研究中,許多方法都集中在納米線、管、空心結構等的制備上。SrTiO3納米結構已被證明可以提高材料的載流量和光敏性。盡管這些SrTiO3結構具有合理的效率,但大多數合成過程對顆粒的形貌和分散性控制較差,這將影響其相應的性能。實驗采用水熱法制備SrTiO3納米粉體,通過煅燒、改變EG的量來控制SrTiO3的形貌,以MB模擬目標污染物,用250 W高壓汞燈作為光源對MB進行降解,從而對不同形貌SrTiO3納米粉體的光催化性能進行評價。

1 實 驗

1.1 藥品

硝酸鍶(天津市凱通化學試劑有限公司)、異丙醇鈦(阿拉丁)、乙二醇(國藥集團)、氫氧化鈉(國藥集團)、亞甲基藍(國藥集團),實驗所用藥品均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 水熱法合成不同形貌鈦酸鍶

稱取一定量的異丙醇鈦加入到裝有乙二醇的燒杯中,磁力攪拌30 min,形成均勻溶液,即A液;再稱取Sr(NO3)2溶于水中,攪拌均勻,形成硝酸鍶水溶液,即B液;在劇烈攪拌條件下,將配好的B液以5 s每滴的速度緩慢滴加到A液中,滴定結束后持續攪拌一段時間,加入5 mL 4 mol/L的NaOH溶液作為礦化劑。充分攪拌后將上述反應溶液轉移到100 mL反應釜中,封閉反應釜后將其放入到180 ℃烘箱中熱處理反應24 h合成SrTiO3。取出反應釜,在空氣中自然冷卻到室溫,倒出產物,分別用去離子水和無水乙醇清洗多次,放入80 ℃烘箱烘干12 h,得到SrTiO3樣品。表1為不同配比的鈦酸鍶粉體樣品,樣品編號分別為PS1、PS2、PS3、PS4。

圖2為樣品PS1、PS2、PS3、PS4的XRD圖譜。由圖2中可知,在2θ等于32.3°、39.9°、46.4°、57.7°、67.7°、71.1°時出現衍射尖峰,與標準卡(JCPDS No.89-4934)對比后發現,分別對應于SrTiO3樣品的(110)、(111)、(200)、(211)、(220)、(310)晶面。因此,X射線衍射結果表明,水熱法可以得到純凈的SrTiO3,不會產生其他雜質相。然而樣品的特征衍射峰強度PS3>PS1、PS4>PS2,這表明經過煅燒后,SrTiO3結晶程度更高,其衍射峰強度增強;衍射峰強度PS2>PS1、PS4>PS3這表明EG的量越少,其結晶程度越高;相反,體系中EG占比量多,其結晶程度越低。

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圖1(a)為PS1的掃描電鏡圖,從中可以看到SrTiO3粉體呈現海膽狀,這些海膽狀納米結構是由更小的納米顆粒自組裝而成的,其粒徑分布在100～200 nm。圖1(b)為PS2的掃描電鏡圖,可以看到鈦酸鍶粉體呈現荔枝狀,其粒徑分布在20～200 nm。圖1(c)為PS3的掃描電鏡圖,與圖1(a)對比發現,SrTiO3納米顆粒在800 ℃煅燒后,其由二維薄片構成的分級結構沒有塌陷,海膽狀的結構變為光滑的球狀顆粒。這些光滑的球狀顆粒更穩定,粒徑分布也更加均勻,粒徑分布在50～150 nm。圖1(d)為PS4的掃描電鏡圖,與圖1(b)對比發現,SrTiO3納米顆粒在800 ℃煅燒后,整體結構沒有發生改變,粒徑分布更加均勻,其粒徑分布在30～100 nm。

1.3 表征方法

采用X-射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD)(D8 ADVANCE)表征樣品結構;采用場發射掃描電鏡(Field emission scanning electron microscope,FESEM)(GeminiSEM 300)表征樣品微觀形貌及粒徑大小;采用比表面積吸附儀(BET)來測定樣品的比表面積、孔徑和孔徑分布;采用UV2550型紫外-可見光分光光度計(Ultraviolet Spectrophotometer,UV-vis)表征樣品的光催化性能。

2 結果與討論

2.1 樣品形貌和結構分析

實驗以MB模擬目標污染物評價合成樣品在可見光下的光催化活性。首先將0.1 g的SrTiO3固體催化劑分散到100 mL濃度為8 mg/L的MB溶液中。在汞燈照射之前,先將催化劑與MB混合物在避光條件下均勻攪拌30 min,以達到溶液的吸附平衡。30 min過后,用250 W高壓汞燈作為光源進行照射,每隔30 min取5 mL光照溶液,用0.1 μm微濾濾紙進行過濾。采用紫外-可見光分光光度劑對濾液中的MB濃度進行測定,檢驗波長為660 nm,催化劑的光降解率為

2.2 樣品物相分析

毛澤東的一大工作特點是，當著一項關系全局的重大任務剛剛提上日程的時候，他總是全神貫注地去解決它，別的事情（外事除外）可以暫時放在一邊，或者以較少的精力去顧及一下［4］1130。他對1961年全黨調查研究就是如此。他把這次全黨調查研究工作看作是解決當時嚴重困難的著力點和突破口，因而自始至終給予諸多指導。

1.2.2 光催化活性測試

2.3 樣品BET分析

采用氮氣吸附-解附等溫線分析PS1、PS2、PS3、PS4的BET比表面積和孔徑分布,如圖3和表2所示。根據IUPAC分類,4個樣品都具有IV型等溫線,曲線中出現H3型遲滯環,說明樣品中納米顆粒有團聚現象。從插圖可知,這四種材料的孔徑基本在10～50 nm,均為介孔、中孔材料。通過Multi-Point BET計算得到,PS1、PS2、PS3和PS4的比表面積分別是11.39 m2/g、48.60 m2/g、34.58 m2/g、65.41 m2/g。這些結果表明,在體系中EG占比量少的樣品和煅燒后的樣品比表面積大,表面的活性中心隨之增加,同時縮短了光生電子和空穴轉移到樣品表面的距離,從某種程度上也抑制了兩種載流子的復合,氧化還原反應的效果增強,光催化活性得到提高。

表2 PS1、PS2、PS3、PS的BET比表面積和孔徑尺寸

2.4 光催化性能測試分析

圖4為樣品PS1、PS2、PS3、PS4的光催化降解MB的性能曲線。對比發現,在暗室攪拌30 min時,PS1、PS2、PS3、PS4通過自身的吸附作用能使溶液中MB濃度分別降低至90.3%、80.6%、76.1%、77.6%;當光照0.5 h時,PS1、PS2對MB的降解率不到10%,而PS3、PS4對MB的降解率高達40%;當光照2.5 h時,PS1、PS2、PS3、PS4對MB的降解率分別為89.0%、91.4%、95.1%、99.5%。通過對比發現,PS3對MB的降解率大于PS1,PS4對MB的降解率大于PS2,其原因在于,經過煅燒后,樣品的結晶度更高,其光催化性能也更好;PS2對MB的降解率大于PS1,PS4對MB的降解率大于PS3,其原因在于EG會影響結晶度,當EG的量偏少時,其結晶度更高,光催化性能也就更好。

舟山電網是浙江省十一個地市電網中唯一的海島電網，通過4回220 kV交流線路、3回110 kV交流線路和±50 kV直流線路與大陸電網相聯，共擁有220 kV變電站5座，±200 kV柔性直流輸電工程換流站5座，110 kV變電站28座，35 kV變電站26座，用戶變26個[2]。

3 結 論

采用水熱法合成了兩種具有可控形態的SrTiO3層次結構,包括海膽狀和荔枝狀。通過調節混合溶劑的比例,SrTiO3的三維自組裝形貌得到了良好的控制。與海膽狀相比,荔枝狀的SrTiO3粉體表現出更高的光催化活性。此外,通過對樣品的煅燒前后光催化性能對比,發現煅燒后SrTiO3粉體的結晶度更高,其光催化性能也有很大提升。