掺杂纳米TiO_2光催化性能的研究_吴树新

物理化学学报（!#$%&’()(*&+）!#,-.&/0123450$637$8$%!#，!（&）：!#’!()*+,-.,/&001021!!收到初稿，&001031&(收到修改稿$联系人4马智（516.7849-:;-<7=>:7=.$?@6AB*840&&1&C(0!(D!）$!南开大学1天津大学联合研究院教育部重点基金资助项目掺杂纳米$%&!光催化性能的研究!吴树新!马智!%&%秦永宁!%&%齐晓周!梁珍成!E!天津大学化工学院，天津000C&A&南开大学1天津大学联合研究院%天津000C&A天津大学F!重点实验室%天津000C&G摘要利用浸渍法分别制备了F,、H=、)*、F@、I7、F-六种过渡金属离子掺杂改性的二氧化钛光催化剂，以乙酸水溶液的光催化氧化反应和二氧化碳还原反应为探针%评价了掺杂催化剂的光催化性能$借助光电子能谱（JKL）、J射线衍射分析（JMN）等手段对掺杂催化剂进行了表征$研究结果表明，经过渡金属离子掺杂后，光催化性能均有不同程度的改善，改善程度按F,、F@、I7、)*、H=、F-递增$掺杂后催化剂表面吸附氧的活泼性、金属离子的价态及得电子能力上的差异决定了不同离子掺杂纳米二氧化钛光催化性能的差异$关键词4浸渍法%过渡金属离子%掺杂%纳米二氧化钛%JKL中图分类号4O2((纳米二氧化钛因粒径的减小缩短了光生载流子向表面迁移的时间，从而降低了其在体相中复合的几率，提高了催化剂的光催化活性$如果能采取一定措施降低电子1空穴在表面的复合几率，那么二氧化钛的光催化性能将会进一步得到改善$基于这样的认识，人们采取了半导体复合、贵金属沉积、过渡金属离子掺杂等方法对纳米二氧化钛进行了改性研究$到目前为止，人们对半导体复合、贵金属沉积的改性机制认识基本达成一致P!Q，而对过渡金属离子掺杂改性的机制还说法不一，掺杂改性催化剂的活性也时常出现矛盾的结果P&1Q$另外大多对掺杂催化剂活性评价都以光催化氧化为反应探针P(Q，从光催化氧化1还原反应两个角度系统研究过渡金属离子掺杂改性规律的还比较少$本文选用超声水解法制备的二氧化钛，利用浸渍法制备了F,、H=、)*、F@、I7、F-六种过渡金属离子掺杂改性的二氧化钛$借助JKLPDQ及其它一些手段，对掺杂催化剂进行了表征，采用将催化剂物理化学性质与催化活性进行关联的方法，对光催化剂活性变化规律进行了分析，讨论了掺杂的可能机制$乙酸是各种有机物降解过程中产生的稳定中间物种，同时也是各种微生物代谢的主要产物$因此，选取乙酸水溶液的降解作为评价体系，对于实现各种有机物废水的完全矿化以及光催化与其它污水处理方法的配合使用具有重大的现实意义$二氧化碳是引起全球温室效应的气体之一，特别是近些年来，随着人类活动的加剧，大气中二氧化碳的含量提高得更快，进一步加剧了温室效应$选择二氧化碳还原做目标反应%对于温和条件下FO&的光催化还原化学转化的研究具有深远的现实和理论意义$’实验部分’(’主要试剂与仪器RS1!00NT型数控超声波，昆山市超声仪器有限公司生产；F,EIOG·3U&O、H=EIOG&、)*EIOG·3U&O、F@EIOG·2U&O、I7EIOG·2U&O、F-EIOG&·U&O及乙酸均为分析纯试剂$’(!催化剂制备与表征所用纳米二氧化钛为超声水解法制备$采用等体积浸渍法制备过渡金属离子掺杂的催化剂4将计量的超声水解法制备的二氧化钛超声分散于计量的硝酸盐溶液中超声!D67=%#0V烘干，(D0V焙烧&;，得到的催化剂记为HO’WB7O&$采用日本理学NWHXJ1&0#型J射线衍射仪分析催化剂物相结构$实验所用JKL装置是美国K*Y7=586*,公!#图!各掺杂样品的#$分析图谱%&’(!)*+,-&..*+/0&123+004*251.-134-5+63745$%&’()*+$,&-.)!/’()*+$0&12)!/’()*+$3&45)!/’()*+$5&6()/’()*+$7&-8)/’()*+$9&-:*)/’()*图8掺铜二氧化钛的9:%&’(8;<4+2+7,5&5+2-.&00&2’1.0<49:534/0*+1.;&=8-134->&0>型能谱仪?!(?活性评价方法!#!光催化氧化活性评价光催化反应在自制的光催化反应器中进行?反应器为三层同心圆筒形装置@光源为!*AB中压汞灯，主波长为=A2C，发光中心与液层中心约>?A0C?称取>?=9的催化剂加入>>CD*A>C9·DE!乙酸水溶液中，摇匀，打开汞灯预热AC(2，通冷却水使反应体系温度维持在*AF左右@反应中通空气，维持催化剂的分散和满足反应所需氧气?反应*?AG后将反应液离心分离，利用-)H（化学耗氧量）法测定乙酸的降解率I=J?