表面光催化还原铁对TiO_2_SiO_2光催化活性的影响_黄琮

第13卷第3期Vol.13No.3中国有色金属学报TheChineseJournalofNonferrousMetals2003年6月Jun.2003文章编号:10040609(2003)03079304表面光催化还原铁对TiO2/SiO2光催化活性的影响①黄琮1,王良焱1,徐悦华1,李新军1,郑少健1,李芳柏1,2(1.中国科学院广州能源研究所,广州510070;2.广东省生态环境与土壤研究所,广东省农业环境综合治理重点实验室,广州510650)摘要:用表面光催化还原铁法对TiO2/SiO2复合氧化物进行改性,并在改性后用XRD,TEM进行化学状态、晶体组成与颗粒大小分析。通过对亚甲基蓝的降解揭示表面光还原对催化剂活性的影响。结果表明:经过表面光催化还原铁法改性的催化剂活性要高于未改性的,随着表面还原Fe量的增加,催化活性增加。但n(Fe)∶n(Ti)>1.0%后,催化性能急剧下降,最佳值为1.0%。讨论了Fe杂质对光生载流子分离效率的影响及其影响光催化剂活性的机理。Fe3+和Fe2+共同存在,Fe3+是光生电子的捕获阱,Fe2+是光生空穴的捕获阱,在二者的协同作用下,载流子得到有效分离,催化活性得到提高。关键词:TiO2/SiO2;表面还原;Fe中图分类号:0643文献标识码:A作为一种环境友好型光催化剂,TiO2具有很强的氧化还原能力,被应用于不同环境净化领域,如印染废水脱色,水体、空气中有毒有机物的降解等。随着研究的进一步深入,TiO2的应用领域不断拓展。除光催化降解有机物外,TiO2在自洁净薄膜,光致超亲水性、杀菌甚至癌症治疗[1]等方面均有研究和应用。近年来,不少研究者对TiO2/SiO2复合光催化剂[2,3]进行研究,发现其具有多孔性、较大的比表面积等纯TiO2不具备的特点。这些独特的物理、化学性质大大提高了催化剂的光催化活性。已有表面沉积银[4]、金[5,6]等贵金属在催化剂表面形成原子簇,成为光生电子的捕获阱,从而促进载流子的分离,提高催化效率的相关报道,而将过渡金属光催化还原于催化剂表面的报道较少。本研究通过对TiO2/SiO2表面沉积铁,探索其对光催化降解亚甲基蓝活性的影响。这些结果将有利于进一步研究光催化剂改性。1实验1.1TiO2/SiO2复合溶胶的制备TiO2溶胶和SiO2溶胶采取溶胶凝胶法分别制备。将一定比例的钛酸四正丁酯(化学纯,新华活性材料研究所)、无水乙醇、冰乙酸、蒸馏水及正硅酸乙酯(化学纯,广州化学试剂厂)、无水乙醇、冰乙酸、蒸馏水分别均匀混合,剧烈搅拌30min,分别得到TiO2和SiO2溶胶。将两种已制备好的溶胶取一定比例均匀混合,剧烈搅拌30min。放置数天后混合溶胶陈化为凝胶,烘干。干凝胶粉经玛瑙研钵磨细后置于马福炉内以5℃/min升温至700℃并恒温2h,随后自然降温,研磨后备用。记为TiO2/SiO2。1.2表面沉积铁光催化剂的制备将已制好的TiO2/SiO2的复合催化剂粉末置于圆柱形光反应器中,加入一定量的蒸馏水并充氮气使光催化剂粉末呈悬浮态,加入一定量的Fe(NO3)3溶液及2滴冰醋酸,在40min紫外光的照射下铁被还原在催化剂粉末表面,经微孔滤膜过滤后烘干备用。共制得3种不同表面还原铁含量的催化剂,分别为0.75%,1.0%,2.0%(n(Fe)∶n(Ti))。记为0.75%Fe/TiO2/SiO2,1.0%Fe/TiO2/SiO2,2.0%Fe/TiO2/SiO2。1.3催化剂的表征①基金项目:广东省自然科学基金重点资助项目(010873);广东省科技计划基金资助项目(A3040301)收稿日期:20020701;修订日期:20021118作者简介:黄琮(1976),男,工程师.通讯联系人:黄琮,工程师,广州市先烈中路81号广州能源所;电话:02087628187;Email:huangcong@ms.gies.ac.cnDOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.03.052催化剂的颗粒大小及形貌采用日本日立H-800透射电子显微镜进行测试,催化剂平均颗粒直径通过测量10个颗粒直径的算术平均值得到。催化剂的晶体组成、晶粒大小采用日本理学D/MAX-ⅢA型X射线衍射仪分析(Cu石墨单色器,30kV,30mA,λ为0.15418nm)。用PHIQuantum2000Scan-ningESCA电子能谱仪对粉末表面进行组成分析,X射线源为AlKα,以样品表面来自XPS仪器本身的油污染碳(C1s285.38eV)作为荷电校正标准。1.4光催化反应以125W高压汞灯(紫外主波长为365nm)作光源,采用图1所示自制光催化反应器,该反应器由冷凝套管、反应管、充气搅拌头、紫外灯组成。加入质量浓度为10mg/L的亚甲基蓝溶液400mL及0.36g光催化剂,在无