微乳液法合成納米TiO-,2-及其光催化性能研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,環(huán)境污染變得越來越嚴(yán)重,以太陽能進(jìn)行光化學(xué)轉(zhuǎn)換為主要背景的半導(dǎo)體光催化技術(shù)為污水處理提供了一條全新的、充滿希望的途徑。Ti02由于其優(yōu)異的光化學(xué)性能、好的穩(wěn)定性、對水中有機污染物無選擇性、礦化徹底、無二次污染、無毒和成本低等特點,而倍受眾多研究者的關(guān)注。但Ti02作為光催化劑,存在著太陽能利用效率低和光量子效率低兩大缺點。目前人們正在嘗試采用各種方法對Ti02進(jìn)行改性研究,而摻雜被普遍認(rèn)為是較為有效

2、的一種手段。通過摻雜可在半導(dǎo)體表面引入缺陷位置或改變結(jié)晶度,影響電子與空穴的復(fù)合或拓展光的吸收波段,從而提高Ti02的光催化活性。研究者們探索通過不同的合成方法、選用不同的摻雜方式對納米Ti02光催化劑進(jìn)行摻雜改性研究。微乳液合成法是一種剛剛興起的制備方法,由于其實驗裝置簡單、操作容易、有可能人為地控制微粒的粒度,已經(jīng)成為科研人員制備各種納米材料的重要方法。
　　 本文首次采用微乳液法利用聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-1

3、00)/正己醇/環(huán)己烷/氨水組成微乳體系分別制備了過渡金屬元素銅和非金屬元素硫摻雜改性的納米Ti02光催化劑,利用XRD、TG-DTA、FT-IR、SEM、UV-Vis等多種手段對摻雜前后材料的各方面性能進(jìn)行了表征,包括光催化劑的晶型、晶粒尺寸和光催化活性等方面的變化規(guī)律,通過系統(tǒng)的實驗研究及對各種數(shù)據(jù)的分析,獲得了制備方法和光催化活性變化的規(guī)律。所制備的光催化劑顆粒近似為球形,分散性較好,晶粒尺寸較小。
　　 采用微乳法,以鈦

4、酸丁酯為原料,硝酸銅為摻雜前驅(qū)物,在空氣中焙燒合成出不同摻銅量的納米Ti02。XRD分析表明,摻銅量為1.O％焙燒時間均為2h的納米Ti02,550℃以下焙燒出來的樣品均由銳鈦礦組成,當(dāng)溫度升高到650℃時金紅石相開始出現(xiàn),當(dāng)溫度升高到850℃時,銳鈦礦的衍射峰完全消失。溫度才是影響晶型轉(zhuǎn)變的重要因素。對比純樣和摻銅1.0％的Ti02樣品的XRD,摻雜銅元素能遲滯了銳鈦礦相向金紅石相的轉(zhuǎn)變。根據(jù)謝樂公式計算,在400-800℃范圍內(nèi),納

5、米Ti02催化劑的晶粒粒徑隨焙燒溫度的升高而增大,粒徑從400℃的14.28nm增加到800℃的48.68nm。這主要是由于焙燒溫度的升高促進(jìn)了催化劑粒徑的長大。以偶氮染料甲基橙作為降解目標(biāo)污染物,分別討論了焙燒溫度、摻銅量、降解時間各因素對納米Ti02在紫外光下降解甲基橙的光催化劑性能的影響。通過對比摻銅量為0.5％的Ti02在不同焙燒溫度(400-700℃)、降解時間為120min時降解率,表明催化劑的降解率受焙燒溫度的影響很大,隨

6、著焙燒溫度的升高降解率先快速增大,而后又迅速降低,焙燒溫度為600℃時降解率達(dá)到最大值。而焙燒溫度、焙燒時間、降解時間和催化劑用量均相等的條件下,隨著摻雜量的增加,催化劑對甲基橙溶液的降解率先增加后降低,當(dāng)摻雜量為0.5％時的降解率達(dá)到99.80％。
　　 同樣的體系中以鈦酸丁酯為原料,硫腺為摻雜前驅(qū)物,采用微乳法在空氣中焙燒合成出不同摻硫量的納米Ti02。其XRD表明,500℃以下樣品均為銳鈦礦型,600℃開始出現(xiàn)金紅石相,當(dāng)

7、溫度升高到800℃時,銳鈦礦相的衍射峰消失,說明Ti02在此時由銳鈦礦型完全轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石型。根據(jù)謝樂公式,400-800℃范圍內(nèi),除500℃焙燒樣品的晶粒粒徑比400℃焙燒樣品的稍微減小外,納米Ti02催化劑的晶粒粒徑隨焙燒溫度的升高而增大,粒徑從400℃的15.5nm增加到800℃的47.7nm。這主要是由于焙燒溫度的升高促進(jìn)了催化劑粒徑的長大。對比摻硫量為1.O％的Ti02在不同焙燒溫度(400-800℃)、降解時間為100min時

8、降解率大小可以看出,焙燒溫度對催化劑的降解率的影響很大,隨著焙燒溫度的升高降解率先增大,而后迅速下降,當(dāng)焙燒溫度為600℃時降解率達(dá)到最大值。在焙燒溫度、焙燒時間、降解時間和催化劑用量均相等的條件下,隨著摻雜量的增加,催化劑對甲基橙的降解率先增加后降低,當(dāng)摻雜量為1.O％時的降解率達(dá)到99.67％。催化劑的用量對催化效率的影響也很大,在不添加催化劑Ti02時,甲基橙溶液幾乎不發(fā)生降解反應(yīng)。隨著催化劑用量的增加,降解率先增大后又逐漸減小。