海泡石复合光催化材料性能研究.pdf

第43卷第24期
人民长江
Vol 43. No 24
2012年12月
Yangtze River
2012
文章编号:1001-4179(2012)24-0055-05
纳米TO2/海泡石复合光催化材料性能研発
廖長欹2,慧“,涅在芹2,李珍2
(1.长江科学院材料与结构研究所,湖北武汉430010:2.国家大坝安全工程技术研究中心,湖北武汉
430010;3.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心,湖北武汉430010;4.河海大学水利水电
学院,江苏南京210098)
摘要:納米Ti02因其具有安全无毒、稳定性好、光活性强等特性,在水污染治理领城被广泛用作光催化剂。然
而納米TiO2在水介质中存在难以回收、容易流失、不易分散等问题,限制了其实际应用,将其进行固定化负载
是有效的解决手段。以矿物海泡石为负載载体,采用一种简单易行的粉末烧結法制备出纳米Ti02/海泡石复
合光催化材料,并通过透射电镜、扫描电镋、X射线衍射、紫外-可见分光光度计等手段对材料进行徽结构表
征,利用化学荧光技术测试了复合材料光催化活性。研究袁明,海泡石的加入能够显著抑制复合光催化剂中
納米Ti0O2的团聚,增强其在紫外至可见光波长范围内的光吸收强度,从而増强复合体的光催化活性。对比研
究不同负载配比对材料光催化活性的影响,发现90%TiO2/海泡石光催化活性最佳。
关键词:纳米Ti02;海泡石;负载;对苯二甲酸;光催化
中图法分类号:X52文献标志码:A
光催化降解安全、无毒、稳定性好、催化活性高、见间必须存在扩散通道且扩散距离短。目前,多孔结构
效快、能耗低、可重复使用,可将含苯环及其衍生物的材料被认为比较适合与纳米Ti02的高效光催化活性
有机废物完全降解。D.Y. Goswami列出了300多种达到有效复合。其中,海泡石作为一种具有独特纳米
可被光催化的有机物。美国环保局公布的114种有结构孔径的富镁链状硅酸盐矿物,其晶体结构为链状
机物均被证实可通过光催化氧化降解?。因此,光催和层状过渡型结构,在链状结构中含有层状结构类型
化材料与技术在环保领域,尤其针对水体的有机物污的小单元属2:1型。由于此特殊结构,使得海泡石具
染处理中展示出广阔的应用前景。
有较大的孔隙率和比表面积,能够吸附多种单质或化
纳米TiO)2光化学性能稳定,是目前公认的较为理合物。此外,海泡石化学性能稳定、来源丰富、价格低
想的一种光催化材料。但纳米TiO2颗粒存在易团聚、廉,是矿物载体的良好选择。
与降解物的表面接触率降低、不利于回收利用等问题
本项实验采用一种简单易行的粉末烧结法将纳米
影响了其对有机污染物光催化降解的效果。负载型纳TiO2负载到海泡石上,制备出纳米TO2/海泡石复合
米Ti02复合光催化材料综合了纳米粒子自身的小尺光催化材料。该材料综合利用了海泡石的吸附性能和
寸效应、表面效应和负载载体的特性,具有易分离、便纳米TiO2光催化性能,且相辅相成,能有效提高其光
于回收、可重复使用等优点,是当前半导体光催化材料催化活性。同时,系统对比研究不同TO2负载量对材
领城研究的热点之一。要将TiO2负载于高比表面积料光催化活性的影响规律,为该材料在水体有机物污
载体上,要求负载体吸附位和TiO2光催化活性中心之染降解方面的研究与应用,提供了一定的理论依据。
收稿日期;2012-10-29
基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(CKSF2011015/CL+SH;CKSF2012033/CL);科技部国际科技
合作项目(2010DFB70470
作者简介:廖灵敏,女,工程师,博士,从事水エ新材料的研发与应用。E-mail:liaolm@mai.carl.cn
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1实验材料与方法
2实验结果与讨论
1.1实验材料
2.材料的微结构特征
实验选用的原料主要有:海泡石(四会市飞来
通过扫描电镜(SEM)中的能谱仪(EDS)测得,实
峰非金属矿物材料有限公司),纳米TiO2颗粒-P25验所用海泡石原料的主要成分为:Na2O(0.28wt%)
(德国徳固赛公司,Ti02含量>98%),无水乙醇(分析AL2O3(0.16wt%),SiO2(27.19wt%),K,0(0.55
纯),NaOH(分析纯),对苯二甲酸(分析纯),蒸馏水wt%),MgO(9.86wt%),CaO(61.96wt%)。图1为
(自制)。
纳米TiO2原料(P25)和海泡石的典型微观形貌。如
1.2材料制备
图1(a)所示,纳米TiO2-P25的平均粒径为20nm左
首先将1gP5和不同质量的海泡石进行混合,然右,且颗粒大小分布均匀。海泡石为针状纤维束状集
后加人一定量的无水乙醇并研磨30min,然后在马弗
体,含有少量方解石、滑石的片状杂质(图1(b)。
炉中以300℃的恒定温度加热6h后,缓慢冷却至室
温。取出样品研磨一段时间至细度均匀,即获得一系
列不同负载量的纳米Ti02/海泡石光催化复合材料。
按TiO2所占质量百分比计,将这些材料样品分别标定
为40%TiO2/海泡石、70%"i02/海泡石、80%TO2/海
泡石、90%Ti02/海泡石、95%TiO2/海泡石、98%TO2/
海泡石。文中所涉及的百分比均为质量百分比。
材料的微观形貌观察在荷兰FEI公司的 Sirion场
发射枪扫高分辨扫描电子显微镜(FE-SEM)(配有
(a)纳米Tj0:-P25的典型TFM形貌
EDAX公司EDS能谱仪)上进行。其微结构及能带性
质表征在德国 Bruker AXS公司的D8 Advanced型X
射线衍射仪(XRD)和日本 Shimadzu公司的UV-2550
型紫外-可见分光光谱仪(UV-Vis)上进行。
1.3光催化活性測试
光照条件下,将有机污染物氧化降解为CO2、H20
等无害物的关键在于TiO2表面产生的氧化能力极强
的活性羟基自由基?OH。据此,TO2材料光催化反应
(b)海泡石的典型SFN形貌
过程中产生的·OH浓度可有效表征其光催化活性。
图1纳米T0O2和海泡石的典型微观形貌
利用对苯二甲酸对羟基自由基?0H的捕获作用,所
图2为不同负载配比的纳米T02/海泡石复合光
生成的羟化产物2-羟基对苯二酸能在426nm的光催化材料的SEM照片。对比可以看出,海泡石对纳米
谱峰值附近发射出独特的荧光信号,从而可间接检测TiO2的固定化负载能一定程度上降低复合光催化剂
溶液中形成的?OH浓度。本项实验以90min反应时中纳米TiO2的团聚,如40%TiO2/海泡石复合光催化
问内产生的·OH相对浓度,来标定复合光催化材料材料中,TO2颗粒均匀分布在纤维状海泡石表面,但
的光催化活性。
此时载体表面负载不完全(图2(a)。随着复合材料
具体实流程如下:以纳米TO2的含量40mg为中Ti02含量的增加,TO2颗粒逐渐包覆在海泡石针状
基准,称取一定量的纳米Ti02/海泡石复合光催化材体周围?,密集程度随之増大。当负载配比为98%
料或纯纳米TO2,加入到盛有80mL、浓度为0.498TO2/海泡石时,海泡石针状纤维已被纳米TiO2颗粒
g/L的对苯二甲酸溶液的烧杯中。置于暗室磁力揽拌完全包覆,且海泡石表面的纳米TiO2颗粒呈现出更多
30min,使吸附平