Ce-TiO2复合光催化材料.pdf

第40卷第11期
化工技术与开发
Vol 40 No.11
2011年11月
lechnology Development of Chemical Industry
Nov,2011
微波快速合成N/Ce-TiO2复合光催化材料
邓魁峰,林立
(湖南城市学院化学与环境工程系,湖南益阳413000)
摘要:以四氯化钛为原料,采用徽波技术探索N掺杂和N/Ce共掺杂TO2粒子的快速合成工艺条件,
以甲基橙为光降解模型污染物,在可见光下考察了相关工艺条件对TO2复合光催化材料活性的影响。结果表
明,微波功率为700W条件下反应15min得到的催化材料活性最好。N/Ce共掺杂均匀实验结果表明,当n(N)
in(T)=0.08,n(Ce)in(T)=0.1,在700W功率下反应15min得到的复合光催化材料活性要好于P25粉体
关犍词:微波合成;二氧化钛;铈;氮;共掺杂
中图分类号:0643.3
文献标识码:A
文章编号:1671-9905(2011)11-000703
O2半导体材料是理想的光催化剂,化学性灯为光源,用滤光片滤去波长小于420nm的部分
质稳定,无毒、廉价,对消除空气和水中的污染物紫外光,甲基橙的初始浓度为16mg?L1,体积为
有高效的光催化活性。然而,TO2光催化技术的250mL,加人005g催化剂,每30min取样1次,
推广应用还存在很多的问题,光吸收波长范围窄静置过滤,再静置取上层清液测其在465nm处的
就是其中之一旧。有研究表明,非金属离子掺杂和吸光度变化,并计算降解率。
稀土离子掺杂改性TO2能够显著提高光催化活
降解率D的计算公式为
性,但是对YO2进行非金属离子和稀土共掺杂改
D=40t-x100%
性研究比较少2?。本文采用微波合成法制备N掺
杂以及N/Ce共掺杂的TO2粒子,并探讨了相关
式中,Ao为样品光照反应前的吸光度,A,为
样品光照时间为t时刻的吸光度。
工艺条件对活性的影响。
1实验部分
2结果与讨论
2.1表征分析
1.1催化剂的制备与表征
1.1.1N、C共掺杂TO2的催化剂制备
图1为700W功率下反应15min得到的共
取一定量的尿素溶液、硫酸铈铵溶液和四氯珍杂光催化材料的XRD图谱,通过与标准卡片
化钛溶液,充分混合置于微波炉中,在不同的微
对比发现,合成的共掺杂光催化材料主要为锐钛
波功率和时间下反应,得到不同条件下的催化晶型结构,但是晶化不完全使峰形出现了宽化,
剂。将反应得到的催化剂置于烘箱中100℃下烘
700
1.1.2催化剂的表征
500
实验采用D/max-rB型X衍射仪(XRD)对样
品进行物相分析,采用石墨单色器,Cu靶,电压
40kV,管流100mA,扫描步长0.02°。用JEOL-2010
高分辨透射电镜( HRTEM)观察合成催化剂的形
貌
1.2光催化降解甲基橙实验
26
实验在自制的光催化反应器中进行,以金卤
图1N、Ce共掺杂TO2的催化剂XRD谙
基金项目:湖南省科技计刘项目(编号2011GK3109)
收稿日期:2011-07-20
8
化工技术与开发
第40卷
这说明在微波作用下,不经过高温煅烧可以合成
表1共掺杂均匀实验设计与活性测试结果
出具有锐钛晶型特征的共掺杂型光催化材料。此
序号 ANYN(TI)mn(Ce)ln(T
微波功率微波时间降解率
外在此基础比通过800℃高温煅烧后可以得到晶
min
/%
0.08
化完全共掺杂型光催化材料。图2显示了共摻杂
15
15.1
20.002
0.8
15
15.6
型光催化材料的形貌,由图可见样品具有一定的
30.004
0.04
15
团聚,一次粒径为20~50nm。
0.008
0.4
15
0.9
50.01
0.02
0.2
0.04
8
0.08
0.1
700
15
40.6
17
表1试验结果的直观分析表明,N、Ce共掺杂
制备的催化剂具有较强的催化活性,其中7号和
8号实验得到的样品催化剂活性强于P5(179%),
其他样品催化效率较低。一般认为氮掺杂的机制
是氮离子进人TiO2晶体后取代部分氧离子,占据
氧空位的氮离子通过轨道杂化,在晶体的导带和
图2N、Ce共掺杂TiO2的催化剂TEM图
价带之间形成杂质能级,从而使禁带宽度窄化
2.2微波功率对N/TiO2活性的影响
达到使样品具有对可见光响应的能力。较低含量
为考察不同微波功率对光催化剂活性的影范围内N的引人显著促进催化剂的可见光活性
响情况,相同条件下得到微波功率分别为500W
可能是因为少量掺杂的N能够形成杂质能级,窄
55w600、650w,700w的5组样品。然后在化TiO2的能隙宽度从而促进了催化剂在可见光
可见光条件下,比较了样品对甲基橙溶液降解的区城的光吸收。但过量N掺杂所导致的过多晶格
效果。实验结果如图3所示。
缺陷可能成为电子-空穴的复合中心,从而使活性
降低。稀土金属掺杂,稀土金属离子进人TO2晶
格后,会引起晶格膨胀,在有较大晶格膨胀的晶
-600w
体中,存在着较大的晶格畸变和应变能,为了补
10
偿这种晶格应力,YO2晶格表层的氧原子容易逃
离晶格而起到空穴捕获作用,减小了TiO2晶格空
90
120
150
反应时问/hin
穴一电子重新复合的几率,从而表现出更好的光
图3不同微波功率对光催化剂活性的影响
催化活性。稀土金属离子的掺杂还能有效减小粒
图3表明不同徽波功率下合成的N掺杂催径,加快界面电子电荷转移反应速率,提高催化
化剂在可见光下降解甲基橙活性有明显不同,微活性。
波功率700W下得到的催化剂在可见光照射3结论
50min后的降解效率强于P25(17%)。随着微波
功率的不断降低,制得的催化剂活性也随之降
1)微波辐射可以快速合成具有锐钛晶型结
低。这可能与微波作用对形成TiO2形态和结构有构特点的掺杂型TiO2光催化剂。微波辐射制备的
关,高功率微波辐射有助于晶化度的提高。
N单一掺杂O2和N/Ce共掺杂TO2光催化材
2.3N/Ce共掺杂催化剤均匀设计工艺条件优化料均表现出优于P25粉体的光催化活性。
为了了解不同N/置比和Ce/比对光催化
(2)微波合成N/Ce共掺杂TO2催化剂均匀实
剂活性的影响情况,采用均匀实验设计得到如表验结果表明,当n(T)in(Ce)=0.08,n(T)ia(Ce)=
1所示的8组样品。相同的条件下考察了样品的
1,在700W功率下反应15min得到的复合光
可见光催化活性,实验结果如表1所示。
催化材料活性最好,该条件下得到的催化剂的催