劉 紅，石 飛，李楊薇，周 娟，宋衛(wèi)坤

（1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢，430081；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京，100048）

納米TiO2制備方法大致有氣相法和液相法，其中液相法包括沉淀法、水熱合成法和溶膠－凝膠法等［1］。由于溶膠－凝膠法能夠在常溫條件下制備出純度高、粒徑分布均勻的材料，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程易于控制［2］，因此研究報(bào)道較多，但運(yùn)用納米TiO2粉體直接處理廢水時(shí)，卻存在吸附和沉淀效果差、回收再利用難等問(wèn)題［3］。因此，制備比表面積大的負(fù)載型TiO2光催化劑，是提高TiO2光催化性能的有效途徑。

自1992年Mobil公司首次合成介孔材料MCM－41以來(lái)［4］，由于介孔材料具有比表面積大、孔隙率高和孔徑分布窄等特點(diǎn)［5］，因此在催化、吸附、分離等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［6－7］。目前，利用分子篩比表面積大來(lái)提高光催化效果，將TiO2光催化劑引入介孔分子篩中成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為此，本文以MCM－41分子篩為催化劑載體，采用溶膠－凝膠法制備TiO2／MCM－41負(fù)載型光催化劑，并通過(guò)XRD、BET、TEM、XPS對(duì)最佳條件下制備的光催化劑進(jìn)行表征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

實(shí)驗(yàn)所用原料為鈦酸丁酯、無(wú)水乙醇和冰乙酸，以上均為分析純，分子篩為市售MCM－41。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 光催化劑的制備

將一定量的無(wú)水乙醇與7.5 m L鈦酸丁酯在室溫下進(jìn)行混合，攪拌30 min后得到溶液A；將一定量的冰乙酸加入到8.75 m L無(wú)水乙醇中，充分混合后形成溶液B；將溶液B在磁力攪拌作用下緩慢滴加到溶液A中，混合均勻后得到溶液C。稱(chēng)取一定量的MCM－41粉體經(jīng)80℃×4 h干燥后加入到溶液C中攪拌30 min，然后逐滴加入蒸餾水3 m L，攪拌直至膠凝。將所得的凝膠在80℃下烘干，并在一定溫度下煅燒，冷卻后將凝膠磨細(xì)，即得到TiO2／MCM－41光催化劑粉體。

1.2.2 光催化劑活性實(shí)驗(yàn)

將所制備的TiO2／MCM－41光催化劑以0.5 g／L的投加量投加到濃度為25 mg／L的甲基橙溶液中，超聲分散5 min使其充分混合后，用高壓汞燈進(jìn)行0.5 h紫外光照反應(yīng)。在反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，通過(guò)磁力攪拌器高速旋轉(zhuǎn)攪拌為反應(yīng)提供溶解氧，使反應(yīng)容器內(nèi)氣、固、液三相充分接觸反應(yīng)，隨后分別取原水和經(jīng)光催化反應(yīng)的水樣，離心分離后取上清液測(cè)定吸光度。

1.3 分析檢測(cè)

吸光度采用UV－2550型紫外－可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定。根據(jù)Lambert－Beer定律，用降解前后測(cè)得的吸光度值來(lái)計(jì)算甲基橙的脫色率，計(jì)算式為

式中：η為脫色率，%；A0、At分別為初始吸光度和脫色t時(shí)刻后的吸光度。

XRD分析采用D／MAX－ШA型X射線(xiàn)衍射儀，Cu靶Kα射線(xiàn)，管壓為40 k V，管流為40 m A；比表面積和孔隙分布分析采用SA3100型比表面積及孔隙分析儀；TEM和XPS分析采用H－9500型透射電子顯微鏡和PHI－5300型X射線(xiàn)光電子能譜儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備條件對(duì)TiO2／MCM－41活性的影響

調(diào)節(jié)不同的硅鈦摩爾比，采用溶膠－凝膠法制備TiO2／MCM－41光催化劑，并用于降解初始p H值為6的甲基橙溶液，其結(jié)果如圖1所示。由圖1可看出，硅鈦摩爾比對(duì)甲基橙脫色率的影響較大。隨著Si含量的增加，脫色率逐漸增大，當(dāng)硅鈦摩爾比為1時(shí)，脫色率達(dá)到最大，之后脫色率隨著Si含量的增加而減小。硅鈦摩爾比較小時(shí)，催化劑的活性不高，主要是因?yàn)檫^(guò)量的TiO2分散在MCM－41的表面，堵塞其孔道，導(dǎo)致吸附量減少，從而影響光催化效果；過(guò)量的TiO2還會(huì)由于電子移位而不能負(fù)載在載體上，導(dǎo)致電子和空穴的復(fù)合，從而影響復(fù)合材料的光催化性能。而硅鈦摩爾比大于1時(shí)，TiO2含量過(guò)低，電子和空穴的產(chǎn)量不足，也使得光催化活性下降。因此本研究確立適宜的硅鈦摩爾比為1。

圖1 硅鈦摩爾比對(duì)TiO2／MCM－41催化劑活性的影響Fig.1 Effect of Si－Ti molar ratio on the photocatalytic activity of TiO2／MCM－41

將硅鈦摩爾比為1的TiO2／MCM－41在不同溫度下煅燒，然后進(jìn)行光催化活性測(cè)試，其結(jié)果如圖2所示。由圖2可看出，樣品活性隨著煅燒溫度的上升而增加，在700℃時(shí)樣品活性達(dá)到最高，隨后其活性逐漸降低。這是由于TiO2的主要晶型包括銳鈦礦型和金紅石型，金紅石型的TiO2光生電子和光生空穴容易復(fù)合，使催化活性受到一定影響，但銳鈦礦型光催化活性較高，當(dāng)銳鈦礦型和金紅石型以適當(dāng)比例共存時(shí)將會(huì)提高光催化活性［8］。隨著煅燒溫度的升高，銳鈦礦型TiO2逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石型，在700℃時(shí)體現(xiàn)出最佳的光催化活性，之后金紅石型TiO2含量繼續(xù)增大，反而使催化劑活性降低。因此本研究確定最佳煅燒溫度為700℃。

圖2 煅燒溫度對(duì)TiO2／MCM－41催化劑活性的影響Fig.2 Effect of calcination temperature on the photocatytic activity of TiO2／MCM－41

圖3為煅燒時(shí)間對(duì)TiO2／MCM－41催化劑活性的影響。由圖3可看出，經(jīng)過(guò)700℃×2 h煅燒后所制得的光催化劑活性最佳，甲基橙的脫色率達(dá)到93.7%。這是因?yàn)殪褵龝r(shí)間過(guò)短，TiO2晶化不完全，無(wú)法轉(zhuǎn)化為具有較高活性的銳鈦礦型；煅燒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致粉體發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，材料的比表面積減小，導(dǎo)致催化活性下降。

圖3 煅燒時(shí)間對(duì)TiO2／MCM－41催化劑活性的影響Fig.3 Effect of calcination time on the photocatalytic activity of TiO2／MCM－41

2.2 TiO2／MCM－41表征

2.2.1 XRD分析

圖4為MCM－41、TiO2／MCM－41和TiO2煅燒產(chǎn)物的XRD圖譜。由圖4可看出，TiO2／MCM－41和TiO2煅燒產(chǎn)物均出現(xiàn)了銳鈦礦型特征衍射峰（對(duì)應(yīng)的2θ為25.14°、37.88°、48.25°、62.72°）和金紅石型特征衍射峰（對(duì)應(yīng)的2θ為27.4°、36.1°、41.2°、54.3°），表明TiO2以及TiO2／MCM－41在700℃×2 h煅燒后均為金紅石相與銳鈦礦相的混晶結(jié)構(gòu)。但由圖4還可看出，TiO2中的晶相大部分為金紅石型，TiO2／MCM－41中TiO2晶相大部分為銳鈦礦型，這主要是因?yàn)镸CM－41中的氧化硅可有效地抑制銳鈦礦向金紅石的轉(zhuǎn)變［9－11］。因此，MCM－41不僅可以為T(mén)iO2的負(fù)載提供大比表面積，還可提高其晶相的轉(zhuǎn)化溫度和熱穩(wěn)定性。

圖4 MCM－41、TiO2／MCM－41和TiO2煅燒產(chǎn)物的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of MCM－41，TiO2／MCM－41 and TiO2 calcined products

2.2.2 比表面與孔徑結(jié)構(gòu)

圖5為T(mén)iO2／MCM－41的N2吸附－脫附曲線(xiàn)及孔徑分布曲線(xiàn)。由圖5可看出，樣品的吸附－脫附等溫線(xiàn)呈典型的IV型，且存在較大的滯后環(huán)，表明TiO2／MCM－41具有介孔結(jié)構(gòu)［12］。通過(guò)多點(diǎn)BET法，利用相對(duì)壓力為0.05～0.3所對(duì)應(yīng)的氮吸附數(shù)據(jù)，計(jì)算出其粉體比表面積為358.8 m2／g。從氮脫附等溫線(xiàn)計(jì)算得到孔徑分布曲線(xiàn)看出，孔徑主要集中在2～4 nm范圍內(nèi)，平均孔徑為2.7 nm。通過(guò)BJH法，利用相對(duì)壓力為0.975所對(duì)應(yīng)的氮吸附數(shù)據(jù)，計(jì)算出總孔容積為0.429 m L／g。

圖5 TiO2／MCM－41的N2吸附－脫附及孔徑分布曲線(xiàn)Fig.5 Nitrogen adsorption－desorption isotherms and pore size distribution of TiO2／MCM－41

表1為MCM－41與TiO2／MCM－41的比表面積和孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。由表1可看出，負(fù)載后的TiO2／MCM－41比表面積有所下降，雖部分分子篩的孔徑被堵塞，但樣品仍保持較高的比表面積和孔容積，這樣有利于將水中的污染物吸附至催化劑表面，同時(shí)有利于反應(yīng)產(chǎn)物的迅速擴(kuò)散，從而提高了光催化劑的活性。

表1 樣品的比表面積及孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 1 BET surface area and pore structure of MCM－41 and TiO2／MCM－41

2.2.3 TEM分析

圖6為MCM－41與TiO2／MCM－41顆粒的TEM照片。由圖6（a）可看出，MCM－41顆粒的表面有大量均勻規(guī)則的孔道。由圖6（b）可看出，在MCM－41顆粒的表面負(fù)載了TiO2球形顆粒，產(chǎn)物晶粒粒徑尺寸為20～25 nm。由于介孔材料MCM－41顆粒的孔徑為2.7 nm，所以TiO2球形顆粒不能進(jìn)入分子篩孔道均勻分布，大部分負(fù)載在分子篩表面，有些團(tuán)聚在一起，這也是該樣品比表面積小于分子篩的原因。

圖6 MCM－41和TiO2／MCM－41顆粒的TEM照片F(xiàn)ig.6 TEM micrographs for MCM－41 and TiO2／MCM－41

2.2.4 XPS分析

圖7為MCM－41與TiO2／MCM－41顆粒的XPS圖譜。由圖7可看出，在TiO2／MCM－41的XPS圖譜中有明顯的Ti2P峰。

圖8為樣品TiO2／MCM－41中Ti2P的XPS圖譜，其電子結(jié)合能均用電子結(jié)合能為284.8 e V的ClS作為內(nèi)標(biāo)進(jìn)行校正。由于電子的自旋軌道耦合，使Ti2P能級(jí)分解為T(mén)i2P3／2與Ti2P1／2兩個(gè)能級(jí)，其結(jié)合能分別為460.2、465.9 eV，與XPS標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)手冊(cè)中Ti4＋的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合能［13］（Ti2P3／2、Ti2P1／2分別為458.5、464.2 eV）基本一致，表明TiO2／MCM－41催化劑中的Ti是以＋4價(jià)存在。

圖7 MCM－41與TiO2／MCM－41顆粒的XPS圖譜Fig.7 XPS spectra of MCM－41 and TiO2／MCM－41

圖8 TiO2／MCM－41中Ti2P的XPS譜圖Fig.8 Ti2P XPS pattern of TiO2／MCM－41

圖9為樣品TiO2／MCM－41中O1S的XPS譜圖。由圖9可看出，經(jīng)分峰擬合得到3個(gè)峰，結(jié)合能分別為531.4、533.2、534.5 e V。其中結(jié)合能較低的2個(gè)峰為T(mén)iO2的晶格氧，結(jié)合能較高的歸為表面羥基氧［14］，所占比率分別為62.0%、38.0%。由于表面羥基可以捕獲光生電子，形成羥基自由基，所以該負(fù)載材料表現(xiàn)出良好的光催化性能。

圖9 TiO2／MCM－41中O1S的XPS譜圖Fig.9 O1S XPS pattern of TiO2／MCM－41

2.3 TiO2／MCM－41的光催化效果和回收利用

將所制光催化劑以0.5 g／L投加量加入到濃度為25 mg／L的甲基橙溶液中降解0.5 h，抽濾出光催化劑，用蒸餾水?dāng)嚢柘礈?次，干燥后進(jìn)行二次利用實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，TiO2／MCM－41光催化劑對(duì)甲基橙的首次利用和二次利用的脫色率分別為93.2%、30.4%。首次利用后光催化劑粉體的表面性質(zhì)發(fā)生變化，光催化性能降低，但該光催化劑易自然沉降，回收率達(dá)到了76%，與自然沉降只有23%回收率的P25相比有較大的優(yōu)勢(shì)。因此TiO2／MCM－41光催化劑在催化完成后可用沉淀法從水中去除，這樣可以避免光催化劑的流失和二次污染。

3 結(jié)論

（1）溶膠－凝膠法制備TiO2／MCM－41負(fù)載型光催化材料的最佳條件為：硅鈦摩爾比為1，煅燒溫度為700℃，煅燒時(shí)間為2 h。在此條件下制備的光催化劑降解甲基橙溶液0.5 h后，其脫色率為93.7%。

（2）TiO2／MCM－41中的氧化硅提高了銳鈦礦相TiO2向金紅石相轉(zhuǎn)變的溫度；TiO2／MCM－41的比表面積為358.8 m2／g，較MCM－41有所降低；MCM－41的表面負(fù)載了TiO2球形顆粒。

（3）TiO2／MCM－41催化劑中的Ti以＋4價(jià)存在，TiO2表面羥基氧所占比率為38.0%。

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