崔义慧, 唐梦泽, 李玲美, 李光哲

(1. 沈阳师范大学 化学化工学院, 沈阳 110034;2. 沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034)



低温制备TiO2对碱性品红光催化性能的研究

崔义慧1, 唐梦泽1, 李玲美1, 李光哲2

(1. 沈阳师范大学 化学化工学院, 沈阳 110034;2. 沈阳师范大学 生命科学学院, 沈阳 110034)

研究溶胶凝胶法低温制备TiO2及掺杂型光催化剂。以碱性品红为模拟降解对象,在不同条件下对碱性品红进行紫外光催化降解、吸附实验。分别考察凝胶温度、加水量、氨水量、不同Si、Fe掺杂量对光催化效果的影响。实验结果表明,凝胶温度为70 ℃,钛水比为1∶32,钛和氨水比为1∶0.2时,对碱性品红的降解效果较好;通过Si、Fe掺杂的光催化剂对碱性品红的降解效果比二氧化钛的明显。实验致力于探索在较低温度下制备对碱性品红的可见光吸附和紫外光催化降解效果最好的二氧化钛的最佳条件。

溶胶凝胶法; 二氧化钛; 光催化剂; 吸附; 降解

0 引 言

二氧化钛在当今大部分光催化剂当中相比较来看,其地位是名列前茅的,这是因为它的造价很便宜和容易制得,并且对水体和自然环境的污染较少。目前,国内外对低温条件下制备二氧化钛光催化剂[1-3]的研究已经有了一定的进展[4-6]。由于二氧化钛的带隙能为3.2 eV的原因,使得这种晶型的二氧化钛仅仅在紫外光区域才是可激发的,对于可见光的感应度比较差,所以它对太阳能的利用率比较低。以提高TiO2光催化剂的光催化活性为目的,通过对TiO2光催化剂进行掺杂来加以改进将成为一项非常有挑战性的研究工作,而且这项研究工作的成功将使得这项技术更加的成熟,为今后的“绿色化学”做好铺垫,更具有实际应用意义。

研究溶胶凝胶法低温制备TiO2及掺杂型光催化剂。旨在深入研究不同条件和不同掺杂的情况下,通过制备的光催化剂对碱性品红的可见光吸附和紫外光催化降解实验,考察所制备样品的光催化效果,来确定制备TiO2及掺杂型光催化剂的最佳条件。

1 实验部分

1.1 TiO2及掺杂型光催化剂的制备[7-9]

将钛酸四丁酯和乙酰丙酮以摩尔比为1∶1的比例置于锥形瓶内,搅拌混合均匀,标记为A溶液;将无水乙醇、水、氨水按照一定的摩尔比例均匀混合,标记为B溶液。将B溶液缓慢滴加到溶液A中,充分反应后处理得到二氧化钛。分别将正硅酸乙酯、Fe(NO3)3·9H2O和NH4VO3溶解于B中,再将B溶液缓慢滴加到溶液A中,使钛酸四丁酯缓慢水解,充分反应后,将锥形瓶放入恒温干燥箱中,在70 ℃下凝胶,待完全凝胶后取出,风干后用无水乙醇清洗,再烘干,冷却后研磨得到掺杂二氧化钛光催化剂。

1.2 光催化性能的测定方法[10]

取10 mg/L的碱性品红50 mL置于锥形瓶中,分别加入催化剂0.30 g,分为A、B两组。A组每间隔10 min取样,用紫外分光光度计进行测定其吸附程度。B组采用AF-8400紫外灯照射,同样每隔10 min取样,用紫外分光光度计进行测定其降解程度。

2 TiO2及掺杂型光催化剂实验结果与讨论

2.1 二氧化钛光催化剂实验的结果与讨论

2.1.1 凝胶温度对光催化活性的影响

由图1可知,不同温度下制备的二氧化钛光催化剂吸附效果接近,随着凝胶温度的升高,吸附效果越好。当凝胶温度较低时,凝胶时间较长,乙酰丙酮螯合效果不好,当温度高于90 ℃时,凝胶速度过快未能形成均一稳定凝胶。因此,选取70 ℃凝胶来进行本实验。

图1 不同凝胶温度对碱性品红吸附(左)降解(右)效果的影响

2.1.2 加水量对光催化活性的影响

由图2可知,加水量在一定范围内对催化剂的吸附效果影响较小,而且平均吸附率也比较均匀,但最终的吸附效果不好,1 h后只能降解30%左右。当W=32的二氧化钛粉末降解效果最好,最终达到91%以上。因此,选取W=32进行本实验。

图2 加水量对碱性品红吸附(左)降解(右)效果的影响

2.1.3 氨水量对光催化活性的影响

由图3可知,氨水量对样品的吸附效果影响较为明显,不添加氨水时,样品的最终吸附效果不到10%,当氨水量与钛酸四丁酯的摩尔比N<0.15时,二氧化钛粉末对碱性品红的吸附效果依然不明显,随着氨水量的增加样品的吸附效果明显增强。因此,选取氨水量N=0.20进行本实验。

2.2 摻杂二氧化钛的实验结果与讨论

2.2.1 硅掺杂光催化剂对光催化活性的影响

由图4可知,硅掺杂的样品吸附能力较标准样品吸附效果有明显下降。这是由于硅的掺杂使得样品的粒径尺寸增大,表面积相对降低,而且掺杂量越大,吸附效果越差。从紫外光降解效果来看,样品的降解效果有一定的提高。当钛硅摩尔比为12∶1时,Si掺杂光催化剂的活性最高,对碱性品红的降解效果最好,最终达到96%。

图3 氨水量对碱性品红吸附(左)降解(右)效果的影响

图4 不同硅掺杂量对碱性品红吸附(左)降解(右)效果的影响

2.2.3 铁掺杂对光催化活性的影响

由图5可知,铁掺杂的样品吸附效果在所有样品中效果最为明显。其降解率先随着铁掺杂量的增大而增大,当掺杂量为0.4%时降解程度最明显,当掺杂量大于0.4%之后,降解程度反而降低了。其主

图5 不同铁掺杂量对碱性品红吸附(左)降解(右)效果的影响

要原因是,在TiO2中掺杂Fe3+后,催化剂的性质发生了改变, Fe3+掺杂可能造成晶格TiO2中引入了缺陷位置或者改变晶度,从而加强了TiO2的光催化作用,甚至还有可能将TiO2的吸收波长扩展至可见区域。在铁掺杂样品中掺杂为0.4%的样品降解效果最为明显,最终降解率为98.7%。

3 结 论

实验采用溶胶凝胶法在较低温度下制备TiO2光催化剂。以碱性品红为模拟降解对象,利用紫外分光光度计测定碱性品红的浓度变化,对此实验条件下制备的TiO2光催化剂的光催化活性进行研究。分别考察了凝胶温度、加水量、氨水量对碱性品红降解效果的影响。实验结果表明,凝胶温度70 ℃,加水量W=32,氨水量N=0.20条件下制备的光催化剂效果最佳,此时降解效果较为明显,碱性品红的降解率可达到91%以上。

采用同样的实验方法分别制备了不同硅、钒、铁掺杂的TiO2光催化剂,对光催化剂的光催化活性进行研究。结果表明,掺杂光催化剂比二氧化钛光催化效果明显。在Si、Fe掺杂光催化剂中,分别当钛硅摩尔比为12∶1、Fe掺杂量为0.4%时,光催化剂的活性最高,对碱性品红的降解效果最好;在同等条件下,Fe掺杂的光催化剂总体降解效果明显优于Si掺杂光催化剂。

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Low temperature preparation of TiO2on the Fuchsin photocatalytic properties

CUIYihui1,TANGMengze1,LILingmei1,LIGuangzhe2

(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Shenyang Normal University, Shenyang110034, China;2. College of Life Science, Shenyang Normall University, Shenyang 110034, China)

TiO2and doped photocatalyst prepared by sol-gel method at low temperature were studied. UV photocatalytic degradation and adsorption experiments of Basic Fuchsin were conducted under different conditions with its serving as simulated degradation object. The effects of the gel temperature, the amount of water, the amount of water, different Si and Fe doping on the photocatalytic efficiency were investigated. The results showed that the better degradation effect on basic fuchsin was obtained when the gel temperature is 70 ℃, titanium water ratio was 1∶0.2, titanium and ammonia ratio was 1∶0.2. The effect on basic fuchsin degradation by Si, Fe-doped photocatalyst was more obvious than that of TiO2. The aim was to explore the best optimum conditions for the effect of TiO2prepared at low temperature on the visible light absorption and UV photocatalytic degradation of basic fuchsin.

sol-gel method; titanium dioxide; photocatalyst; adsorption; degradation

2015-09-25。

国家自然科学基金资助项目(C0310)。

崔义慧(1989-),女,内蒙古呼和浩特人,沈阳师范大学硕士研究生; 通信作者: 李光哲(1966-),男(朝鲜族),辽宁沈阳人,沈阳师范大学教授,博士。

1673-5862(2016)01-0070-04

X52

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.01.016