楊芬，陳秋萍，孫桂梅

(曲靖師范學院化學化工學院，云南曲靖 655011)

半導體光催化降解水體中有機污染物的研究已成為環(huán)境科學領(lǐng)域的一個熱點。以TiO2為代表的半導體光催化氧化技術(shù)能在常溫下利用光能氧化分解污染物，是具有廣闊應用前景的治理環(huán)境污染的新技術(shù)［1-5］。TiO2作為一種半導體材料，其內(nèi)部能帶結(jié)構(gòu)特點為價帶與導帶的不連續(xù)性，當TiO2受到一定能量的光照時，價電子受激發(fā)發(fā)生躍遷，進入導帶，從而產(chǎn)生光生電子(e－)和空穴(h+)，非金屬元素摻雜能拓寬TiO2的光響應范圍，而且能在一定程度上降低激發(fā)電子與空穴的復合概率，提高光生載流子的利用率，明顯改善光催化活性［6］。本文以鈦酸四丁酯為鈦源，以尿素和氟化銨為氮氟源，制備了N/F雙摻雜TiO2，以亞甲基藍為目標污染物，對其光催化降解效率進行了研究。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

鈦酸丁酯、尿素、氟化銨、亞甲基藍、鹽酸、無水乙醇、乙酸異戊酯等均為分析純。

DF-101S磁力攪拌器;101A-3型電熱鼓風恒溫干燥箱;VFX7/120-60型陶瓷纖維馬弗爐;CP214電子分析天平;HC-3518高速離心機;XPA-7系列光學反應儀-光源控制器;Cary50型紫外-可見分光光度計;FEI Sirion Field Emission Gun SEM system型掃描電鏡;D8 Advance X射線衍射儀。

1.2 N/F/TiO2光催化材料的制備及過程

在磁力攪拌下，將鈦酸丁酯加入到無水乙醇中，攪拌30 min，得混合溶液A。按比例將尿素和氟化銨加到無水乙醇中，放在磁力攪拌器上攪拌至固體溶解，滴加到溶液A中，繼續(xù)攪拌，緩慢加入10 mL濃氨水，至溶液呈堿性，產(chǎn)生白色溶膠，放在暗處陳化24 h，得N∶F∶Ti=1∶4∶5凝膠。在砂芯漏斗里抽濾，邊過濾邊用乙醇和乙酸異戊酯洗滌，膠體置于紅外燈下邊烘邊攪拌至干。在100℃干燥3 h，放入馬弗爐中于400～600℃煅燒，得到N/F/TiO2光催化材料。

1.3 光催化降解

將100 mg N/F/TiO2催化材料加入100 mL濃度20 mg/L的亞甲基藍溶液中，于電磁攪拌器上黑暗中攪拌吸附1 h，以達到吸附平衡。再放在30 W紫外燈下照射，每隔0.5 h取樣一次，并在高速離心機上離心分離，測所得溶液在最大波長的吸光度值，并根據(jù)標準曲線求得亞甲基藍的濃度，降解率計算:

式中，D為亞甲基藍的降解率;C0為亞甲基藍溶液的初始吸光度;C為亞甲基藍溶液光催化t min后的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 N/F/TiO2光催化劑的SEM圖

FEI Sirion Field Emission Gun SEM N-F摻雜TiO2光催化材料，摩爾比為N∶F∶Ti=1∶4∶5的N/F/TiO2SEM見圖1。

圖1 N/F/TiO2光催化劑掃描電鏡圖Fig.1 SEM Pictures of N/F/TiO2photocatalysts

由圖1可知，N/F/TiO2光催化劑粉體的外觀呈疏松顆粒狀，分散性較好，顆粒較均勻。

2.2 N/F/TiO2光催化劑的XRD

N/F/TiO2(A為500℃和B為100℃)XRD分析見圖2。

圖2 N/F/TiO2光催化劑的XRD圖Fig.2 XRD Pictures of N/F/TiO2photocatalysts

由圖2可知，N/F/TiO2粉體焙燒前后在25，38，48，54，63，70°處有衍射峰，分別對應銳鈦礦 TiO2晶體(110)、(101)、(200)、(211)晶面。其中(110)晶面對應的峰值最高，表明制備的TiO2顆粒晶體結(jié)構(gòu)以銳鈦礦晶形為主。

2.3 煅燒溫度對光催化效率的影響

焙燒溫度對N/F/TiO2粉體光催化性能的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 煅燒溫度對N/F/TiO2光催化劑催化性能的影響Fig.3 Effect of calcination temperature on the catalytic properties of N/F/TiO2

由圖3可知，不同煅燒溫度得到的N/F/TiO2樣品均表現(xiàn)出一定的光催化活性，其中以600℃下煅燒樣品的光催化活性最高，降解率最大，隨著煅燒溫度的降低，光催化活性逐漸下降。

2.4 催化劑用量對降解率的影響

煅燒溫度600℃的N/F/TiO2催化材料用量對亞甲基藍溶液降解率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 催化劑用量對N/F/TiO2光催化劑催化性能的影響Fig.4 Effect of amount of catalyst on the catalytic properties of N/F/TiO2

由圖4可知，100 mg催化劑對亞甲基藍的降解率最大，用量增加或減少，光催化活性都下降。

2.5 亞甲基藍溶液濃度對降解率的影響

煅燒溫度600℃的100 mg N/F/TiO2催化材料，亞甲基藍溶液濃度對亞甲基藍溶液降解率的影響，見圖5。

由圖5可知，100 mg的催化劑在紫外光下照射，對20 mg/L亞甲基藍的降解率最大，濃度升高，降解率反而下降。

圖5 亞甲基藍溶液濃度對N/F/TiO2光催化劑催化性能的影響Fig.5 Effect of methylene blue initial concentration on the catalytic properties of N/F/TiO2

2.6 溶液pH對光催化劑催化性能的影響

亞甲基藍溶液濃度為20 mg/L，催化劑用量100 mg，考察pH值對光催化反應的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 溶液pH對N/F/TiO2光催化劑催化性能的影響Fig.6 Effect of pH on the catalytic properties of N/F/TiO2

由圖6可知，N/F/TiO2光催化材料在pH值為7.00的亞甲基藍溶液的降解率最高。

3 結(jié)論

采用溶膠-凝膠法制備N/F/TiO2粉末，以亞甲基藍為降解對象，紫外燈為光源，研究了前驅(qū)體煅燒溫度、催化劑用量、pH對亞甲基藍降解率的影響。結(jié)果表明，摩爾比N∶F∶Ti=1∶4∶5的光催化劑在鍛燒溫度為600℃、pH=7的條件下，100 mg N/F/TiO2光催化劑對100 mL濃度為20 mg/L的亞甲基藍溶液光催化降解4 h時降解效率最高。

［1］顧得恩，楊邦朝，胡永達.非金屬元素摻雜TiO2的可見光催化活性研究進展［J］.功能材料，2008，39(1):1-5.

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