内容发布更新时间 : 2024/11/2 0:28:52星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

离子掺杂TiO2光催化剂的制备及性能研究

摘要 本文以钛酸丁酯为钛源、稀土元素Sm为掺杂物、煤渣为载体，采用溶胶-凝胶法制备了掺杂型TiO2光催化剂；以紫外光为光源，甲基橙为光催化降解目标物，考察了光催化剂的光催化活性。实验结果表明：Sm掺杂TiO2光催化剂具有较强的紫外光吸收性能，当酞酸丁酯：无水乙醇的体积比为1：3、煅烧温度为500℃、光催化时间为120min、负载次数为3次、Sm的掺入量为Sm/Ti摩尔百分比=0.5％时，光催化效果最好，光催化降解率达到74.4%。

关键字 光催化，TiO2，甲基橙，掺杂，负载

1 引言

自Fujishima和Honda[1]发现TiO2单晶电极光分解水以来，多相光催化反应引起人们的极大兴趣。由于TiO2具有化学性质稳定、难溶、无毒、价廉等优点[2]，在氮氧化合物及有机污染物的降解、水处理、杀菌、除臭、表面自洁等方面得到广泛研究与应用。但是，TiO2也有自身的局限性：禁带宽度约为3.2eV，需在(近)紫外光下才能激发产生光催化效应，对光的利用率较低；在ns到ps时间范围内光生载流子就能迅速复合，光催化效率不高等，这些不足极大地限制了TiO2的实际应用[3]。因此，在过去的30多年中，人们深入研究了TiO2的改性技术，如掺杂[4]、复合[5]、表面增敏[6]等，以提高其光催化效率或产生可见光活性。考虑到稀土元素具有f电子，易产生多电子组态，其氧化物也具有多晶型、强吸附选择性、热稳定性和电子型导电性等特点，并在光学、电子学以及催化剂领域有着广泛的应用7，因此，本文

[]

采用溶胶—凝胶法制备稀土Sm掺杂型二氧化钛光催化剂，将制得的二氧化钛光催化剂用来光催化降解甲基橙废水，通过测定废水吸光度考察所制得二氧化钛光催化剂的光催化性能以及光催化条件对处理效果的影响。

2 实验部分 2.1 实验原料

钛酸丁脂，分析纯；冰乙酸，分析纯；硝酸，分析纯；无水乙醇，分析纯；氧化钐，分析纯；30%双氧水，分析纯；甲基橙，分析纯。

2.2 实验仪器

CJJ78-1磁力加热搅拌器，FA-2004型电子分析天平，KS-60-63-16C型恒温干燥箱，722型紫外可见光分光光度计，马弗炉，25w紫外光光源。

2.3 实验方法

2.3.1 离子掺杂型光催化剂的制备

取所需量2/3的无水乙醇于100mL的烧杯中，在搅拌的情况下分别加入冰乙酸抑制剂和钛酸丁酯，此为混合液A。量取剩余1/3的无水乙醇、0.5mL蒸馏水、以及Sm的硝酸溶液，搅拌均匀，此为混合液B。在混合液A搅拌半小时后逐渐缓慢加入混合液B，再搅拌1.5小时后即得到Sm掺杂TiO2溶胶[8]。将洗净的煤渣置入配制好的溶胶中，干燥，后在一定温度下进行热处理，即得到所需的Sm掺杂TiO2光催化剂。 2.3.2 光催化性能实验

取25mL浓度为50mg/L的甲基橙溶液于100mL烧杯中，加入与甲基橙溶液体积比为0.5%的H2O2，加入10g所制备的二氧化钛光催化剂，在紫外光照射下连续搅拌。每隔20分钟取一次样，过滤后用分光光度计在462nm处测定其吸光度，并计算其脱色率。

甲基橙溶液脱色率按以下公式进行计算：

甲基橙脱色率%?A0?AA0?100%式中：A0—未经复合材料的降解时的甲基橙溶液的吸光度；

A—经复合材料降解后的甲基橙溶液的吸光度。

3 结果与讨论

3.1 光照时间对光催化效果的影响

将VTNB：VC2H5OH=1：3、Sm掺杂量为0.5%、负载次数为1次、煅烧温度为500℃的

光催化剂进行光催化实验，考察光照时间对光催化效果的影响，结果如图3.1所示。

去除率T(%)45.040.035.030.025.020.0406080100120140光催化时间（min）160180

图3.1 光催化时间对光催化效果的影响

由图3.1可以看出，随着光催化时间的延长，曲线呈现增长的趋势，但超过140min后，曲线趋于平缓，表明在140min处，光催化达到饱和。这是因为光催化氧化过程中，由于电子—空穴的简单复合在10-6～10-9s即可发生，氧作为一种有效的电子俘获剂，阻止了电子—空穴的简单复合，提高了量子产率，所以反应速率取决于电子—空穴的利用率。由于空穴可以很快被水分子或水中有机物俘获，而电子被水中氧分子俘获，但速率较慢，则整个反应的控制步骤是电子与催化剂表面上氧气之间的传递，所以随着光催化时间的延长，电子不断地

被水中氧分子俘获，最终生成具有高活性的超氧负离子（O2-）和羟基自由基（·OH）的量亦增多。但光催化降解达到一定时间后，电子与催化剂表面的氧气之间的传递达到平衡，光催化效率不再增长。

3.2 外加催化剂对光催化效果的影响

将VTNB：VC2H5OH=1：3、Sm掺杂量为0.5%、负载次数为1次、煅烧温度为500℃的光催化剂进行光催化实验，考察H2O2对光催化效果的影响，结果如图3.2所示。

去除率T（%）

65.060.055.050.045.040.035.030.025.020.0406080100120140160180光催化时间（min）未加H2O2加入H2O2图3.2 外加催化剂对光催化效果的影响

由图3.2可得，随着光催化时间的增加，两条曲线均呈现增长的趋势，但是加入H2O2

后，甲基橙的去除率明显高于未加H2O2时的去除率。结果表明，加入催化剂H2O2促进了光催化的进行，明显提高了光催化效率，且缩短了光催化达到饱和的时间，只需120min。这是由于光催化反应要有效的进行，就需要减少光生电子（e）和空穴（h+）的简单复合，这可以通过使光生电子，光生空穴或两者被不同的基元捕获来实现。由于氧化剂是有效的导带电子捕获剂[9]，可以有效的捕获光生电子而使电子（e）和空穴（h+）分离，从而获得更高的污染物降解效能。

3.3 溶胶比对光催化效果的影响

将Sm掺杂量为0.1%、负载次数为1次、煅烧温度为500℃的光催化剂进行光催化实验，加入与甲基橙溶液体积比为0.5%的H2O2，考察溶胶比对光催化效果的影响，结果如图3.3所示。

由图3.3可得，随着溶胶比的增加，曲线呈现先上升再下降，再上升再下降的趋势，但当VC2H5OH：VTNB为3：1时，去除率最高，达到62.2%，光催化效果最好。这是由于乙醇用量过少时，金属醇盐浓度过高，水解产物浓度高，容易引起离子的聚集或沉淀，负载不够充分，从而影响负载量，降低了光催化性能；当乙醇过多时，即无水乙醇／钛酸丁酯(体积比)大于3.0时，溶液中钛酸四丁酯的浓度降低，并且使反应过程中形成的Ti9(OH)x(OC4H9)y单体很难接触，交联成链的可能性减小，因此，聚合物反应速度较慢，难以成胶，从而影响其光催化性能。