【2017年整理】新型TiO2三元复合催化剂光催化去除水中的刚果红染料.doc

新型三元复合催化剂TiO2-石墨/MgO光催化去除水中的刚果红染料 刘艳芳1，盛义平2,* （燕山大学 环境与化学工程学院，河北 秦皇岛 066004）摘 要：利用物理和化学相结合的方法制备了新型三元复合催化剂TiO2-石墨/MgO，其中，石墨用于提高TiO2中光生电子-空穴对的分离速率，而MgO用于提高催化剂对难降解有机污染物的吸附性能，光去除水中刚果红染料时，二者能够起到协同作用。对三元复合催化剂的表征结果表明：在TiO2-石墨/MgO中，TiO2只有锐钛矿型，并且石墨和MgO也很好地分散其中。为了证明三元复合催化剂TiO2-石墨/MgOTiO2-石墨/MgO?1，TiO2、石墨和MgO表现出了明显的协同作用。 关键词：光催化；TiO2；MgO；石墨；协同作用 0 引言 以TiO2为媒介的异相光催化方法是一种很有吸引力高级氧化技术，可以将难降解的有机污染物彻底地矿化为CO2、 H2O和无机离子[1-3]。TiO2的带隙受到激发，可以产生电子-空穴对，通过扩散或迁移转移到TiO2的表面，其中，电子与表面吸附的O2反应，产生O2??，而空穴与表面键合的OH? 或 H2O反应，产生OH?，有机污染物通过氧化性自由基（O2??和OH?）得到去除和降解，其中，OH?起主要作用[3-5]。 然而，TiO2也存在着一些问题，限制了其作为一种高效的光催化剂在水体净化方面的应用范围。首先，锐钛矿型的TiO2禁带宽度为3.2 eV，只能被波长小于387nm的紫外光激发产生电子-空穴对，而在太阳光中紫外光仅仅占到5%，对太阳光的利用率低 [6-7]。其次，由于TiO2禁带宽度较窄，光生电子-空穴对很容易进行再复合，而降低电子和空穴的寿命，使二者不能有效地与TiO2表面吸附的电子受体和电子供体发生作用，从而降低TiO2的光催化效率[7-9]。另外，TiO2对污染物的吸附能力较低，使废水中的污染物向TiO2表面的传质速率慢，因此聚集在TiO2表面的污染物浓度较低，不能有效地利用光生电子-空穴对。 各国学者探寻了各种方法克服TiO2的缺陷以提高TiO2的光催化效率，扩大TiO2的使用范围。其中一种方法就是将TiO2与碳材料复合制备复合催化剂[9-12]。将TiO2与活性炭复合可以提高TiO2降解不同有机污染物的光催化效率，如甲基橙[13]、苯酚[14]、亚甲基蓝[15]等。然而，由于活性炭的导电能力较差，其促进光生电子-空穴对的分离效果并不明显。碳纳米管具有独特的电学特性和优良的吸附能力，使其不仅能够吸附亲水性物质并且可以促进TiO2价带产生的电子向碳纳米管表面转移，因此，TiO2与碳纳米管的复合材料可以有效地提高对有机物的去除速率[9, 18-20]。共轭碳材料（如石墨、石墨烯、富勒烯、炭黑等）不仅能够提高TiO2的吸附能力和拓宽TiO2的光吸收范围，还可以作为电子受体和电子转移的载体[9, 21-26]。其中，炭黑就可以有效地提高TiO2的光催化效率[27, 28]，并且TiO2与炭黑的复合材料对甲基橙的光催化效率要明显高于TiO2与活性炭的复合材料[29]，这是因为炭黑不仅对甲基橙具有较强的吸附能力并且具有较强的导电能力，可以促进电荷的转移，从而降低光生电子-空穴对的再复合速率[27-29]。 吸附过程和催化氧化过程是TiO2光催化反应的两个重要过程。在光催化过程中如果吸附能力不足，溶液中的溶质分子向催化剂表面的传质速度就会受到限制，导致催化剂表面聚集的有机物浓度过低，使其产生的强氧化性自由基不能得到充分地利用B. Huang 和S. Saka的研究表明，对TiO2-AC复合催化剂进行表面处理可以赋予其较高的协同作用，但是这种方法需要较高的温度和压力，限制了其应用[30]。基于以上讨论，我们提出，当TiO2与碳材料的复合催化剂对所处理的有机污染物吸附能力不足时，可以添加一种对所处理的污染物有较强吸附能力的物质来提高其吸附能力。 我们采用了一种简便的方法制备了新型三元复合催化剂TiO2-石墨/MgOMgO用于提高催化剂对难降解有机污染物的吸附性能，对刚果红染料溶液进行光催化实验结果表明TiO2、石墨和MgO三者表现出了明显的协同作用。据我们所知，对于含有MgO的三元复合催化剂的设计、制备与应用，还未有过相关记载。 1 材料与方法 1.1 试剂 无水乙醇（天津市凯通化学试剂有限公司），钛酸丁酯（天津市大茂化学试剂厂），盐酸（榆社县恒泰化工运销有限公司），氧化镁（天津市科密欧化学试剂有限公司），二氧化钛（国药集团化学试剂有限公司），石墨粉（天津市光复精细化工研究院），刚果红（北京化学试剂公司），以上试剂均不需做进一步的净化处理，实验过程中所用的水均为去离子水。 1.2 催化剂的制备 二元复合催化剂TiO2-MgO的制备采用溶胶-凝胶法。