吳維成,張 靜,周麗萍
(1.遼寧中科納米材料發(fā)展有限公司,遼寧 撫順 113001;2.遼寧石油化工大學 化學化工與環(huán)境學部,遼寧 撫順 113001;3.撫順市第二中學,遼寧 撫順 113001)
全球工業(yè)化進程的發(fā)展導致的環(huán)境污染問題是不容忽視的,隨著太陽能研究和利用的不斷發(fā)展,太陽能在工業(yè)廢水及室內(nèi)空氣污染凈化處理方面的應(yīng)用引起人們的廣泛關(guān)注。利用光催化的方法消除環(huán)境污染物日益受到人們的重視。這種方法以太陽能為能源,操作簡單、反應(yīng)條件溫和、基本沒有二次污染,能有效的將污染物轉(zhuǎn)化為離子和無機小分子,成為一種蓬勃發(fā)展的新型污染治理技術(shù)[1]。納米TiO2因其優(yōu)良的光化學活性、耐酸堿和光化學腐蝕、無毒、制備成本低廉等優(yōu)點被認為是最有效的環(huán)境光催化劑之一[2-7]。氧化鈦具有3種晶相:銳鈦礦,金紅石和板鈦礦。這3種晶相都是由相互連接的TiO2八面體為基本結(jié)構(gòu)單元[8],其差別在于八面體的畸變程度和相互連接的方式不同,所以不同晶相呈現(xiàn)不同的物理、化學性質(zhì)。
就目前TiO2粉體在光催化方面的應(yīng)用而言,大部分的研究集中在銳鈦礦和金紅石TiO2,而且一般認為銳鈦礦比金紅石更具有光催化活性[9-12]。板鈦礦作為TiO2的一種亞穩(wěn)晶相,長期以來由于用人工方法不易制備單一相的板鈦礦型TiO2,有關(guān)其結(jié)構(gòu)和性能方面的研究也一度被忽略。事實上與銳鈦礦和金紅石型TiO2相比,板鈦礦型TiO2有許多獨特的性質(zhì)[8]。板鈦礦結(jié)構(gòu)中TiO2八面體的排列方式使得板鈦礦型TiO2的晶體中形成沿c軸方向的通道,一些較小的陽離子,如氫離子或鋰離子可以結(jié)合于其中,使之在催化及干電池等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景;另外,板鈦礦結(jié)構(gòu)中八面體鏈的特殊連接方式,還導致其(100)晶面上會有裸露的O原子,從而使其成為催化反應(yīng)等的活性原子。Ohtani等[13]發(fā)現(xiàn)板鈦礦在光還原沉積銀以及光催化重整異丙醇反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的活性,與銳鈦礦相近。這說明了板鈦礦是一種潛在的光催化材料,因此開展板鈦礦的制備及光催化性能研究具有重要的意義。
作者以鈦酸四丁酯[Ti(OBu)4]為鈦源,三乙醇胺為溶劑,采用水熱合成法合成了單一板鈦礦相TiO2催化劑,通過XRD、拉曼光譜、紫外可見漫反射光譜、SEM對鈦礦相TiO2進行了表征,并以亞甲基藍為模型污染物考察了板鈦礦相TiO2的光催化活性。
鈦酸四丁酯 [Ti(OBu)4)]:質(zhì)量分數(shù)>98.0%,北京益利精細化學品有限公司;三乙醇胺、NaOH、亞甲基藍:均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司;去離子水:實驗室自制。
X射線衍射儀:BD-86型Cu靶,40 kV,100 mA,日本理光公司;掃描電子顯微鏡:SU-8000型,日本日立公司;拉曼光譜儀:U-1000型,Jobin Yvon公司;紫外-可見漫反射光譜儀:JASCO-V550型,日本JASCO公司;紫外-可見分光光度計:22PC型,上海棱光儀器有限公司;pH計:PHS-3E型,上海儀電科學儀器股份有限公司。
將n(鈦酸四正丁酯)∶n(三乙醇胺)= 1∶2混合,磁力攪拌30 min,然后加入一定量去離子水使得c(Ti4+)=0.5 mol/L。取其10 mL 溶液加入至50 mL 燒杯中,向燒杯中緩慢加入1 mol/L NaOH溶液直至溶液的pH=11.5,繼續(xù)攪拌2 h,溶液變成乳白色溶膠。將以上配好的溶液轉(zhuǎn)移至50 mL 聚四氟乙烯反應(yīng)釜中,140 ℃反應(yīng)72 h后取出反應(yīng)釜。將反應(yīng)釜中混懸液離心分離,去離子水洗滌2次后,40 ℃干燥12 h。
X射線粉末衍射(XRD)采用日本理學株式會社的Rigaku Rotaflex Ru-200 B型X射線衍射儀測定。Cu Kα射線源,λ= 0.154 18 nm。拉曼光譜表征在Jobin Yvon公司生產(chǎn)的U-1000型拉曼光譜儀上進行。采用日本日立公司的SU-8000型掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品進行形貌分析。紫外-可見漫反射吸收光譜(UV-Vis DRS)是在日本JASCO公司生產(chǎn)的JASCO-V550型紫外可見漫反射光譜儀上進行的。掃描波長范圍為200~800 nm,掃描速度為100 nm/min,掃描步長為2 nm。
以光催化降解亞甲基藍為模型反應(yīng),考察板鈦礦型TiO2樣品的光催化活性。容積為50 mL 的自制反應(yīng)器上方懸有125 W高壓汞燈作為紫外光光源。在反應(yīng)器中加入初始質(zhì)量濃度為20 mg/L的亞甲基藍水溶液60 mL 和0.05 g的催化劑,攪拌以構(gòu)成懸浮體系。在高壓汞燈光源的照射下進行光催化降解亞甲基藍的反應(yīng),在開燈之前,反應(yīng)溶液在黑暗條件下攪拌10 min以達到吸附平衡。光照以后,每隔10 min取5 mL 上層清液,經(jīng)過15 min離心后取上層清液,采用紫外-可見分光光度計(22PC型)在亞甲基藍(λ=610 nm)吸收波長處測定吸光度,由標準曲線確定亞甲基藍的濃度。
分析方法:在亞甲基藍的最大吸收波長處分析濾液中亞甲基藍的濃度,因為濃度與吸光度成正比,亞甲基藍的光致降解率D可由下式計算。
D=A0-A/A0×100%
式中,A0為有機物起始濃度為c0時的吸光度;A為有機物經(jīng)降解后濃度c時的吸光度。
140 ℃水熱條件下制備TiO2的XRD譜圖和拉曼光譜圖見圖1。25.3°、25.7°和30.8°處的衍射峰分別歸屬于板鈦礦的{120}、{111}和{121}晶面的衍射峰。
2θ/(°)a XRD譜圖
σ/cm-1b 拉曼光譜圖圖1 板鈦礦型TiO2的XRD譜圖和拉曼光譜圖
此外,所有的衍射峰與板鈦礦標準譜圖的特征衍射峰相對應(yīng)(JCPDS No.29-1360)。因此,樣品的X 射線衍射分析表明,所合成的樣品具有單一的板鈦礦型TiO2結(jié)構(gòu)。而且XRD衍射譜峰強度很強,半峰寬很窄,說明所合成的板鈦礦相TiO2樣品不僅具有很高的晶相純度,而且具有較高的晶化程度。相應(yīng)樣品的拉曼光譜圖中,可以觀察到15 個可以分辨的拉曼振動模式,分別屬于A1g(126,151,192,244,411,635 cm-1);B1g(212,320,504 cm-1);B2g(364,392,463,583 cm-1)和B3g(284,455 cm-1)[14]。拉曼光譜的結(jié)果說明,采用作者所述的水熱合成方法,可以合成單一晶相的板鈦礦相TiO2。
為了進一步分析所合成板鈦礦樣品的粒子大小和形貌,采用SEM對板鈦礦TiO2進行了分析,見圖2。由圖2可以看到,板鈦礦樣品呈橢圓狀,粒子尺寸分布比較均勻,約為50 nm ×20 nm。
圖2 板鈦礦型TiO2的SEM照片
對TiO2樣品進行了UV-vis表征以考察TiO2光吸收性能,見圖3。
λ/nm圖3 TiO2樣品的紫外-可見漫反射光譜圖
板鈦礦TiO2樣品在330 nm有明顯的吸收峰。進一步根據(jù)TiO2樣品的紫外可見漫反射光譜圖,計算了TiO2樣品的間接禁帶寬度。以TiO2樣品的(αhv)1/2對hv作圖,見圖4。
其中,吸收系數(shù)α與hv的關(guān)系可以用下式表示。
α=Bi(hv-Eg)2/(hv)
式中,Bi為間接禁帶寬度的吸收常數(shù);h為普朗克常量;v為光的頻率;Eg為半導體的禁帶寬度。經(jīng)計算,TiO2樣品的能帶間隙為3.25 eV,與文獻的結(jié)果一致[15]。
hv/eV圖4 TiO2樣品的(αhv)1/2對hv圖
選用亞甲基藍為模型污染物,光催化降解亞甲基藍的脫色率作為活性評價指標,考察了TiO2的光催化性能,見圖5。
光照時間/min圖5 板鈦礦型TiO2樣品光催化降解MB性能
從圖5可以看出,板鈦礦型TiO2具有較高的光催化活性,光照 40 min,亞甲基藍的脫色率可達到 59%。
進一步考察板鈦礦TiO2催化劑光催化活性的穩(wěn)定性,見圖6。
重復使用數(shù)/次圖6 板鈦礦型TiO2樣品光催化降解MB穩(wěn)定性
從圖6可以看出,催化劑重復使用5次之后,光催化活性略有減小,但還是在光照40 min時保持了近 50%的光降解率,這說明板鈦礦TiO2光催化劑具有較好的穩(wěn)定性。
采用水熱合成法制備了板鈦礦型TiO2催化劑,采用XRD、拉曼光譜、SEM和紫外可見漫反射手段對板鈦礦型TiO2樣品的晶型、晶化度、粒徑和光吸收性能進行了表征,并以亞甲基藍為模型化合物,考察了板鈦礦型TiO2的光催化活性,結(jié)果如下。
(1) 采用水熱合成法制備的板鈦礦型TiO2樣品不僅具有很高的晶相純度,而且具有較高的晶化程度;
(2) 板鈦礦樣品在光照40 min條件下降解亞甲基藍的降解率達到59%,說明板鈦礦型TiO2有可能是一種潛在的光催化劑;
(3) 板鈦礦TiO2光催化劑具有較好的活性穩(wěn)定性。
參 考 文 獻:
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