负载型二氧化钛催化剂的制备及催化降解苯酚的研究

负载型二氧化钛催化剂的制备及催化降解苯酚的研究

石 倩,王玉萍,彭盘英

【摘 要】[摘要 ] 以钛酸四丁酯为前驱体、碘酸钾为碘源,粒状活性炭为载体,采用水热法和浸渍烧结法合成了 ITiO2/AC负载型催化剂.采用 XRD、XPS、EDS等手段对催化剂进行表征.以苯酚为目标物,研究了不同种催化剂对苯酚的吸附效率及不同经浸渍 -烧结处理的次数的 I-TiO2/AC催化剂在可见光下降解苯酚的效率.实验结果表明:采用浸渍结烧法 I-Ti O2成功负载在活性炭上.由于活性炭和 I-Ti O2催化剂的协同作用,I-TiO2/AC催化剂对 50 mg/L苯酚的吸附效率高达 95.8%,在模拟太阳光下对苯酚的降解效率高达 64%. 【期刊名称】南京师大学报（自然科学版） 【年(卷),期】2011(034)001 【总页数】6

【关键词】[关键词 ] 碘掺杂,TiO2,活性炭,光催化,苯酚

光催化氧化技术是近 30年才出现的水处理新技术.1976年 John.H.Carey[1]将光催化技术应用于多氯联苯的脱氯.1977年,S.N.Frand[2]发现 TiO2能够降解有机物污染物以来有关光催化氧化有机物技术的研究工作已取得了很大进展,如今,纳米 Ti O2等半导体光催化降解水中的污染物的研究已成为环境科学领域的一个热点,被认为是最有前途、最有效的处理方法之一[4].美国环保局公布的 114种有机物均被证实可通过光催化氧化降解矿化[5].但是 TiO2是宽禁带 (Eg=3.2 eV)半导体化合物,只有紫外光活性,而紫外线 (300～400 nm)只占到达地面上的太阳光能的 5%左右,可见光却占了太阳光能总能量的 45%[6].为了提高太阳能利用率,必须提高 TiO2的可见光活性[7,8].研究者们尝试采用各种方法

对 TiO2进行修饰改性以提高其可见光利用率,主要是以物理或化学的方法将离子引入到 Ti O2晶格结构或晶隙中,通过改变其电荷密度分布、晶格形状、能带结构或形成晶格缺陷,改善其光催化性能.

离子掺杂修饰 Ti O2包括金属离子和非金属离子掺杂,采用金属离子掺杂改性 TiO2的研究相对较多,但金属离子掺杂 TiO2往往具有热不稳定性,且载流子复合速率增加,从而牺牲了其在紫外区的光催化能力.早在 1986年,Sato等[9]就发现氮的引入,可使 TiO2具有可见光活性,但是一直没有引起人们的重视,直到 2001年 Asahi等[10]报道了氮替代少量的晶格氧可以使 TiO2的带隙变窄,在不降低紫外光区活性的同时,使 TiO2具有可见光区活性.由此,非金属元素掺杂改性 Ti O2迅速成为研究的热点[11].但这些研究大多采用光催化剂的悬浮体系[12-14].悬浮态的 TiO2在使用过程中存在分离和回收困难的问题,而有机污染物一般浓度低,在 TiO2光催化剂表面的吸附性差,实际应用中存在光催化降解速度慢,需要较长时间才能达到完全降解的缺点.采用具有大比表面积、多孔的惰性吸附剂 (沸石、氧化硅、氧化铝、活性炭等)作为载体,对水中极低浓度的污染物进行快速的吸附净化和表面富聚,加快光催化降解反应速度,是提高光催化活性的有效途径之一[15-17].

本文以钛酸四丁酯为前驱体、碘酸钾为碘源,用水热法制备了碘掺杂 Ti O2溶胶,利用浸渍 -烧结法将其负载在活性炭上,制成 I-TiO2/AC负载型光催化剂,并对其性能进行了表征,以苯酚为目标降解物,考察了催化剂的可见光光催化性能.

1 实验部分

1.1 实验试剂及仪器

试剂:钛酸四丁酯 (CP),碘酸钾 (AR),苯酚 (AR),实验用水为去离子水.

仪器:紫外 -可见分光光度计 (TU-1901,北京普析通用仪器有限责任公司),离心机 (FulgorTDL-5B型),250W高压汞灯 (南京电子管厂),镝铊卤素灯 (HLJ I NLU-300).

1.2 样品的制备

取 20～40目粒径的活性炭经过 10%的硝酸溶液处理后用蒸馏水洗涤至中性,100℃烘干备用.

在室温下,将 3mL钛酸四丁酯、一定量的碘酸钾和一定量 PEG加入到 60mL的蒸馏水中,搅拌 1 h,得到白色混合液.把溶液转移入配有聚四氟乙烯内衬的 100 mL高压釜,一定温度下水热 24 h后,自然冷却至室温.将反应后的凝胶溶液和处理后的活性炭加入锥形瓶中置于恒温摇床上进行浸渍负载,然后 70℃烘干.烘干后的样品放入马弗炉在 300℃下煅烧 3 h,即得负载一次的成品.

多次负载时用相同的方法合成凝胶溶液,加入已经负载过的活性炭进行重复浸渍负载烧结法合成不同经浸渍 -烧结处理的次数的催化剂. 1.3 样品的表征

粉体的晶相用 XRD表征,原始粒径分别由 X射线衍射展宽法测定.光催化剂的 XPS谱图由美国 PH I公司的 PH I550型多功能电子能谱仪测定 (Al靶,I:30mA,V:10 kV).I-TiO2/AC光催化剂中 TiO2负载量用分光光度法测定[18].将 0.3 g I-TiO2/AC光催化剂加入到 20mL H2SO4(12mol/L)和 1g(NH4)2SO4的混合液中,加热溶解其中的 TiO2,分离、定容后,用 5%H2O2显色,在波长为 410 nm处测定 Ti O2的质量百分含量.以钛标准液(GSB G62104-90)为标准样绘制标准曲线. 1.4 催化剂吸附性能的测试