共沉淀法制备掺铁二氧化钛光催化剂研究.docVIP

共沉淀法制备掺铁改性二氧化钛光催化剂研究 摘 要：用共沉淀法制备了掺铁二氧化钛光催化剂(Fe3+-TiO2 )，用罗丹明B为模型污染物对其光催化活性进行了评价，并比较了用共沉淀法和溶胶—凝胶法制得的光催化剂之间的差异。实验结果表明：用共沉淀法制备的Fe3+-TiO2具有较高的光催化活性，光催化剂的粒子和团聚体形态受掺杂过程的影响。用共沉淀法制备Fe3+-TiO2 的最佳条件为：掺铁量0.05%；煅烧温度500℃；煅烧时间3h. 由于共沉淀法使用价格相对便宜的无机原料，不用有机溶剂，过程较简单，因而在工业生产上具有较大的应用前景。 关 键 词: 光催化剂 掺铁二氧化钛 共沉淀 1 引言 二氧化钛由于其优良的理化性能和光催化活性，在过去十多年里，其制备和应用在材料科学和环境工程领域得到了广泛研究. TiO2光催化剂的使用需要紫外光照射，用以产生使有机污染物降解的光生电子和孔隙，然而，在阳光中仅有3-4%的紫外光。 迄今为止，为了改善TiO2光催化剂的催化活性，多种掺杂改性方法已经成功地研究，并使光催化活性在大多数情况下得到明显提高。 主要掺杂改性方法包括金属-光沉积法 、 金属离子注入法 、等离子CVD法、 溶胶—凝胶法、水热法和溶液浸渍法。 Miyoshi等人采用一个简单的湿法过程制备了一种高效的可见光激发的TiO2光催化剂，该催化剂含有微量的氮和在其晶界上存在氧缺位结构。 过度金属，如Cr、Mn、V、Fe、Co、Ni、 Cu 等已被广泛地用作掺杂元素，用于提高TiO2的光催化活性。 TiO2中掺杂离子的存在可以引起光吸收向可见光方向移动, XPS分析证实，过度金属元素的掺杂导致了Ti离子的电子环境和氧化物zeta-电位的变化。 TiO2的光催化活性具有独特的作用。 Xu和Li 等人用溶胶—凝胶法制备了稀土掺杂改性TiO2光催化剂，并研究了掺杂对于微观结构、表面化学态和光催化活性的影响。 结果表明，适当量的掺杂可以提高TiO2的光催化活性，并增大其吸附能力和界面电子转移速率。 目前，元素掺杂主要是采用溶胶—凝胶法实现。 该过程一般需要成本相对高的钛醇盐作为原料，而且需要大量的有机溶剂作为合成介质，如甲醇、乙醇等，目前的多数实验结果也是在此基础上获得的。 本工作旨在探索以廉价易得的无机钛盐为原料，用共沉淀—煅烧法制备掺铁二氧化钛光催化剂(Fe3+-TiO2)的可行性和效果，为建立低成本的掺杂TiO2光催化剂制备工艺奠定基础。 2 实验 2.1 光催化剂的制备 共沉淀法制备Fe3+-TiO2 用共沉淀法制备Fe3+-TiO2 样品的程序是：首先用双蒸水配制浓度为1mol.L-1 的TiCl4水溶液，然后向一定体积的TiCl4水溶液中加入一定量的Fe(NO3)3 ﹒6H2O，使其完全溶解形成透明的混合溶液。 在搅拌条件下，向混合溶液中慢慢加入7 mol.L-1的氨水溶液进行综合沉淀反应，当溶液的pH值达到7-8之间时，停止加入氨水溶液。 此时，混合溶液中的Fe3+被认为已经完全沉淀 (Fe3+10-5mol。L-1)。 之后，室温下继续搅拌反应体系30分钟，以便获得组成均匀的共沉淀产物，随后静置以待分离。 共沉淀产物用高速离心分离，并用0.5 mol.L-1的稀氨水溶液充分洗涤沉淀中的NH+4 和 Cl-。 洗涤之后的共沉淀产物在80℃下真空干燥24h以上，并研磨成粉末。 干燥粉末在一定温度下在电炉中煅烧3h，然后样品随炉冷却至室温，取出研磨得到Fe3+-TiO2粉末样品。 溶胶—凝胶法制备Fe3+-TiO2 为了比较分析，本工作也采用溶胶—凝胶法制备Fe3+-TiO2光催化剂。 以钛酸丁脂(TBT)、乙醇和硝酸铁为原料，其制备过程为： 按照摩尔比n(TBT): n(C2H5OH): n(H2O) =1:20:0.8, 在搅拌条件下，将一定量的TBT溶解在三分之二的乙醇中形成溶液A，然后将剩余的三分之一乙醇与水混合形成醇水溶液，并在此溶液中溶解一定量的Fe(NO3)3 ﹒6H2O，形成溶液B。 将溶液A用硝酸调节其pH值至1-2，并继续搅拌10分钟, 然后在强烈搅拌条件下，将溶液B缓慢加入到溶液A中生成透明的淡黄色溶胶, 之后继续搅拌反应30分钟。 所得到的溶胶在室温（25℃～30℃）下放置形成凝胶，然后将其在60℃下真空干燥24h，以便除去其中的水份和有机溶剂。 将经过干燥的凝胶研磨成粉，并于一定温度下在电炉中段烧3h。 随炉冷却至室温后，取出研磨得Fe3+-TiO2样品。 2.2 光催化活性测试 以罗丹明B为降解的模型有机污染物测定Fe3+-TiO2光催化剂样品的催化活性。 测试方法为：取90ml 浓度为10mg.L-1 的罗丹明B水溶液，放入一气体提升式光催化反应器中，然后准确称取 0.18g光催化剂，在