您的当前位置:首页正文

TiO2/膨胀石墨复合材料的制备及光催化性能的研穷

来源:好兔宠物网
维普资讯 http://www.cqvip.com 杨媛媛等:TiO2,膨胀石墨复合材料的制备及光催化性能的研究 TiO2/膨胀石墨复合材料的制备及光催化性能的研究 杨媛媛,申 明,黄妙良,吴季怀 (华侨大学材料物理化学研究所,福建泉州362021) 摘要: 采用快速升温法制备出以膨胀石墨为载体的 集团化学试剂有限公司);无水乙醇(C2H5OH)(AR,分 TiO2/膨胀石墨光催化剂,用SEM及XRD对其表面形 貌及结构进行表征,研究了光催化剂在紫外光照射下的 催化能力,探讨了目标降解物溶液的初始浓度及其pH 值对光催化剂的降解能力的影响。结果发现,负载量为 10%的光催化剂对40mg/L的亚甲基兰溶液5h的光降解 率达到58.83%,甲基橙为51.12% 关键词:TiO2;膨胀石墨;光催化:亚甲基兰;甲基橙 中图分类号:0644.1 文献标识码:A 文章编号: 1001.973I(2007)增刊.2453.04 子量59.1l,广东汕头西陇化工厂);可膨胀石墨(50 目,青岛市天和石墨有限公司);亚甲基兰、甲基橙(上 海三爱思试剂有限公司)。 马弗炉(SX2.10.13,上海实验电炉厂);磁力搅拌 器(RCT basic,德国IKA公司);高压汞灯(GGU.300W, 上海亚明灯泡厂);高速离心机(LG10—2.4A,北京医用 离心机厂):D8.Advance型X射线衍射仪(德国布鲁克 AXS公司,CuKcx,40kV,40mA,波长为0.15405nm); 扫描电镜(HITACHI,S.350ClN);紫外光一可见光分光 1 引 言 半导体光催化氧化技术是近30年发展起来的一种 光度计(Shimadzu UV-3100,日本岛津公司):pH仪(成 果PHS一25型,上海雷磁仪器厂)。 2.2样品制备 新的高级氧化技术,可将有机污染物分解且完全矿化成 可膨胀石墨在1000"C膨胀(膨胀率:170ml/g)。钛 H20和无机离子,在环保领域有广阔的应用前景【”。在 众多的半导体光催化材料中,二氧化钛(TiO )光催化 剂,化学稳定性好,催化活性高,成为当前研究的热点 之一L2 】。悬浮态TiO2光催化剂在实际应用中易凝聚、光 催化效果差,并且难以回收。因此,为充分发挥TiO2光 催化剂的性能,TiO2的固载成为研究的重点[4】。负载型 TiO2不仅能解决凝聚和回收问题,并且依赖载体丰富的 比表面积、良好的吸附性能,提高其光催化降解能力[5 。 对TiO2载体的研究大多集中在具有多孔结构,比表面较 酸四丁酯和乙醇混合均匀,按负载量计算加入所需的已 膨胀石墨强力搅拌30min后,放入马弗炉中迅速升温至 1000℃,反应10min后迅速降温,制得样品。 2.3光催化反应 光催化实验中,采用亚甲基兰和甲基橙作为目标降 解物。实验中,将50ml染料溶液和一定量的催化剂混 合均匀,置于暗处吸附达平衡,用300W高压汞灯照射 悬浮液一定时间,取出反应液进行离心分离,吸取一定 量的上清液置于石英比色皿中,利用分光光度计测量染 料在特征吸收峰处的吸光度,根据光照前、后的吸光度 求其脱色率。考虑到催化剂的吸附,由光催化效应引起 的溶液脱色率可以通过以下公式计算 : co-c大的载体上,如,沸石【 t 、膨润土【l0】、活性炭 ”、分子 筛I 等。近几年来,膨胀石墨负载的TiO2光催化材料也 引起人们的兴趣。膨胀石墨有着丰富的孔洞结构,具有 较大的比表面积,对有机污染物有良好的吸附【】引,成为 TiO2一种有效的载体,国内外有关学者开展了膨胀石墨 负载TiO2光催化材料的研 】。文中采用快速升温法 )×l00%:f—ao-a一 —D:(——一 )×l00% 4 A—A 4 即D:— 一×10o% 制备出TiOy膨胀石墨光催化剂,以有机染料亚甲基兰为 目标降解物,研究了TiO2负载量、光照时间、亚甲基兰 的初始浓度及溶液pH值等因素对光降解效果的影响, 研究结果对膨胀石墨在光催化领域中开发应用以及提高 天然矿物的综合利用价值具有一定的指导意义。 式中:c0,A0为亚甲基兰溶液的初始浓度和在 = 669.4nm处的吸光度;C'o,A rn为光照前吸附平衡时, 亚甲基兰溶液的浓度和吸光度:c, 分别为光照~定 时间后亚甲基兰溶液的浓度和吸光度。 2 实验 在本实验条件下,在无催化剂时,紫外光辐照对亚 甲基兰及甲基橙溶液脱色率影响较小(<3.5%),因此 忽略不计。 2.I试剂和仪器 钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4)(AR,分子量340.36,国药 ・基金项目:国家自然科学基金资助项目(50572030:50372022);福建省自然科学基金资助项目(D001001 1) 收到稿件日期:2007—07—16 通讯作者:黄妙良 作者简介:杨媛媛(1979一),女,在读硕士,从事光催化材料的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 幼 能 材 许 2007年增刊(38)卷 3结果和讨论 3.1光催化剂SEM和EDX分析 由图(a)可知,以快速升温的方法制备的膨胀石 3.3染料溶液初始浓度的影响 为研究染料溶液初始浓度对光催化性能的影响,在 50ml浓度40mg/L的染料溶液中加入lg/L负载量为10% 的TiOd膨胀石墨催化剂,在暗室中吸附平衡后进行光 墨,负载TiO2后,其孔结构并未被破坏。结合能谱图 (b)可知,在孔的顶端及孔壁上都均匀负载了TiO2微 小颗粒,其中孔的边缘TiO2颗粒比较富集,这可能是 由于在孔的边缘,石墨的悬空键较为密集,较易结合 Ti02颗粒。  ̄/keV 图I Ti02/膨胀石墨催化剂的微观形貌和能谱图 Fig I SEM images and EDX of the TiO2/exfoliated— graphite catalysts 3.2光催化剂XRD分析 图2为TiO2/膨胀石墨催化剂在不同温度处理的 XRD图。 l一硼t’咖℃ 。 ——儿L一 一 … 一 H... 八一 一 .一一 一a 10 20 3o 40 5o 60 70 80 2 ,I。) 图2 TiO2/) ̄胀石墨催化剂的XRD图 Fig 2 XRD patterns of the TiO2/exfoliated—graphite catalysts 从图2可以看出,负载TiO2的催化剂中均存在TiO2 锐钛矿的衍射峰位(20=25.5。),表明制备的TiOd膨胀 石墨催化剂中存在锐钛矿型的TiO ,并且催化剂中石墨 衍射峰位(20=26.6。)明显比纯的膨胀石墨有所降低, 可能是因为TiO 小颗粒分散在膨胀石墨载体的表面, 这和扫描电镜的分析结果相吻合。从图中可以看出, 850℃处理的TiOd膨胀石墨催化剂中TiO2锐钛矿的衍 射峰位(20=25.5。)较弱,这可能是在85ooc ̄J备过程中 锐钛矿型TiO 含量不高所致。当处理温度升高到 1000℃时,锐钛矿型TiO2的衍射峰位(20=25.5。)增强, 可能是因为锐钛矿型TiO2含量升高所致。 催化实验,光照时间为1h,结果如图3所示。 Initial concentration of MB/mg・L 。 图3溶液初始浓度对染料脱色率的影响 Fig 3 Effect of different initial concentration of methyl orange and methylene blue on degradation rate 从图3可以看出:染料浓度在10mg/L ̄50mg/L范 围内,TiO21膨胀石墨光催化剂对染料的脱色率随溶液初 始浓度增加而减小,并且亚甲基兰的脱色率明显大于甲 基橙的脱色率。这是因为随着染料浓度的增加,更多的 亚甲基兰分子吸附在催化剂的表面,占据了催化剂的活 性位,可能导致活性基团.OH的减少:另一方面,亚甲 基兰的浓度增加,部分的光线被亚甲基兰分子吸收,到 达催化剂表面的光减少,产生的光生电子 空穴对减少, 影响活性基团.OH的数量,造成光催化效率降低【】引。在 这种情况中,甲基橙在光催化剂表面的吸附可能比较 弱,并且浓度较高,从而阻碍了光催化剂活性基团的产 生,光催化能力较差。 3.4光照时间的影响 为研究催化剂对亚甲基兰和甲基橙的光降解性能, 在体积为50ml、pH=7.20、浓度为40mg/L的染料溶液 中加入lg/L负载量为10%的TiOj膨胀石墨光催化剂, 在暗室中2h吸附平衡后进行光催化实验,光照时间为 5h,结果如图4所示。 1imelh 图4光照对染料溶液浓度的影响 Fig 4 Effect under UV irradiation on the concentration of methyl orange and methylene blue 实验结果表明,当负载量达到10%时,TiOd膨胀 石墨的对亚甲基兰的降解率达到58.83%;催化剂对甲 基橙的脱色能力只有51.12%。这可能是由于亚甲基兰 维普资讯 http://www.cqvip.com 杨媛媛等:Ti02/膨胀石墨复合材料的制备及光催化性能的研究 分子较甲基橙小并且和膨胀石墨吸附力较强,能较快捕 获光生电子和空穴阻止其复合,能有效的增强光催化效 响性能。在溶液中,TiO2是两性氧化物,TiO2的等电点 pH pc≈6.8,溶液pH>pH pc时,TiO2表面带正电;pH ∞ ∞∞∞{;; 、IB,OE0.||0Io0果,因此,染料溶液脱色较快;甲基橙分子较大吸附后 堵塞膨胀石墨的孔洞,降低了吸附量,使得膨胀石墨原 有的吸附能力降低,并且还阻碍了光生活性粒子降低了 甲基橙和二氧化钛的接触,减弱了催化剂的光催化活 性。 图5是利用Langmuir.Hinshelwood模型(k为反应 速率常数)拟合的结果[】引。实验中,从图中可以看出: -ln(C/C。)随时间的变化都呈直线关系,即ha(C/C。)一 ,相关系数R>0.996,说明染料光催化降解反应符合 一级动力学方程。降解亚甲基兰和甲基橙溶液的反应速 率常数分别为0.4577h~、0.1530h~,催化剂对亚甲基兰 的反应速率常数较大。 "l'imelh 图5催化剂用量和时间对染料脱色速率的影响 Fig 5 Effect of photocatalyst amount and time 0n degradation rate 3.5溶液pH值的影响 用lmol/L的HC1和NaOH溶液调节染料溶液的pH 值,取50ml染料溶液投入lg/L负载量为10%的催化剂 进行实验,吸附平衡后光照1h,实验结果如图6示。 pH 图6溶液pH变化对染料脱色率的影响 Fig 6 Effect of different pH on degradation rate 从图6可知,溶液的pH对光催化剂的光催化性能 影响很大:在中性溶液中,催化剂有较高的光催化活性, 在pH=7.2时,亚甲基兰溶液的光催化脱色率达到 24.90%,甲基橙的光催化脱色率为18.63%:在碱性溶 液光催化活性较低,在pH=11.21时,亚甲基兰溶液的 光催化脱色率只有12.71%,甲基橙的光催化脱色率仅 为5.19%。 在光催化实验中,溶液pH的影响是一个比较复杂 的过程 州,如它会影响催化剂表面的带电性质,进而影 <pH 时,TiO2表面带负电【 ”。在pH--4.05时,由于 库仑排斥作用,催化剂对带正电的亚甲基兰的吸附量为 37.25%,对甲基橙的吸附量为38.05%,而在高的pH时, 表面带负电TiO2与正电性亚甲基兰分子相互吸引,吸 附量提高,pH=11.21,吸附量升高到81.30%,但此时 甲基橙分子和膨胀石墨的吸附却减小,甲基橙和催化剂 的吸附量只有11.07%。这可能与甲基橙在碱性溶液中 的结构发生转变以致和催化剂的吸附减少有关。从实验 结果可以看出:虽然在碱性溶液中催化剂对亚甲基兰具 有较大的吸附,但亚甲基兰分子在TiO2颗粒表面吸附 过多,占据了TiO2/膨胀石墨光催化剂表面的活性位, 使得紫外光无法直接照射到TiO2表面,产生光生电子 和空穴数量减少,导致溶液中羟基自由基的数量减少, 从而使TiO2/膨胀石墨光催化剂的光催化效率降低,这 和文献[221实验结果一致,Sakthivel等人在研究ZnO光 催化降解偶氮染料时发现,吸附最大时,光催化效率并 不最高。同样的情况也出现在了酸性溶液中催化剂对甲 基橙的吸附和光降解反应中。另外,pH的变化也可能 影响到亚甲基兰和甲基橙及其降解的中间产物在载体 表面的吸附和扩散,进而影响光降解速率。有关机理还 有待于进一步探讨。 4结 论 采用快速升温法简单、快速的制备出的TiO2/膨胀 石墨光催化剂中存在锐钛矿型TiO2,光催化剂对较大浓 度的亚甲基兰和甲基橙溶液有良好的脱色效果。亚甲基 兰和甲基橙溶液的酸碱性也会影响到催化剂的光降解 能力,在酸性和中性溶液中催化剂分别对甲基橙、亚甲 基兰具有较大的降解脱色能力。因此,TiO2/膨胀石墨光 催化剂在处理染料废水方面有较好的应用前景。 参考文献: 【1】 Fujishima A,Rao T N,Tryk D A.【J】_Photochem Photobiol C:Photochem Rev,2000,1:1-21. 【2】 Yoshihiko Kikuchi,Kazuhito Hashimoto,Akira Fujishima, et a1.【J】_Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry,1997。106:5 1.56. 【3】 Suzuko Yamazaki,Hidekazu Tsukamoto,Kensuke Araki,et a1.[J].Applied Catalysis B:Environmental,2001,33: 109.1l7. 【4】 Zhu C M,Wang L Kong L R,et al-【J】.Chemosphere, 20o0.41:303—309. 【5】 Kang Man—Gu,Han Hyea—Eun,Kim Kang—Jin.【J】.Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry,1999, 125:ll9. 【6】 张青红,高 濂,郭景坤.【J】.无机材料学报,2000, 15(3):556—56o. 【7】 Kiifbayashi T’Yasuda N,Kawahara Tl et a1.Flat Glass 维普资讯 http://www.cqvip.com 2456 助 能 财 料 2007年增刊(38)卷 Coated With Photocatalytic Titanium Oxide,Interior Air Puriifcation Systems Using The Glass,And Building Having Systems【P】.Jpn Kokai Tokkyo Kolio皿2001, 287:973. 【15】Alexander Modestov,Victor Glezer,lliya Marjasin,et a1. 【J】.Phys Chcm B,1997,(1O1):4623・4629. 【16】Toyoda M,Umemura H,Inagaki M.【J】.New Carbon Materials,2002,17(2):1-3. 【8】 蒋引姗,金为群,张17(6):1301-1305.军,等.【J】.无机材料学报,2002, 【17】Nobuaki Shimizu,Chiaki Ogino,Mahmoud Farshbaf Dadjour,et a1.[J】.Ultrasonics Sonochemistry,2007,14: 184-190. 【9】Yah G Wang X X,Fu X Z,et a1.【J】.Catalysis Today, 2004,93-95:851-856. 【1O】温丽华,李益民,刘颖,等.[J】.化学学报,2005,63(1): 55-59. 【18】Tsumura Kojitani N,Umemura H,et a1.【J】.Applid eSurface Science,2002,(196):429.436. 【191 Muruganandham M,Swaminathan M.[J1.Dyes and 【1 1】谭树成,郑经堂.【J】.炭素,2006,3:15-18.【12】张向华,李文钊,徐恒泳.【J】.化学进展,2004,16(5): 728-737. Pigments,2006,(68):133.142. 【20】lnnias K Konstanfinou,Triantafyllos A Albanis.【J】. Applied Catalysis B:Environmental,2004,49:1-14. 【13】周 伟,董 建,兆 恒,等.[J】.炭素技术,2000, 109(4):26-30. 【21】Valente J P S,Padiha P M,Florentino A O.【J】. Chemosphere,2006,64:1128—1133. 【14】李冀辉,贾志欣,冯莉莉.【J】.材料导报,2006,20(VI): 97-98. 【22】Sakthivel S,Neppofin B,Shaankar M V'et a1.【J】.Solar Energy Materials&Solr aCells.2003(77):65-82. Preparation of TiO2/exfoliated-graphite composite and the investigation of photocatalytic ability Y八NG Y.uan.yuan,SHEN Yue,HUANG Miao.1iang,、ⅣU Ji.huai (Institute ofMaterial Physical Chemistry,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China) Abstract:TiO2 loaded on exfofiated graphite was synthesized by rapidly calefaction.The TiO2/exfoliated-graphite catalysts were characterized by SEM and XRD.A series of experiments were carried out to study the degradation of methylene blue under UV light irradiation.The experiment resulst was that he tTiOYexfoliated—raphigte catalysts showed that the degradation of methylene blue and methyl orange was dependent on the concen ̄ation of methylene blue and methyl ornge saolution nd pH at,f solution.The TiOdexfoliated—raphigte catalysts wih 10%TitO2 loading showed igherh photocatalytic eficiency,afnd the degradation rate of methylene blue was 58.83%and the degradation rate of methyl orange was 51.12%under 5h irradiation time. Key words:Ti02;exfofiated graphiC;photocatalysis)methylene blue;methyl orange 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容