水热法制备掺杂铁离子的TiO_2纳米粒子及其光催化反应研究_闫鹏飞

水热法制备掺杂铁离子的TiO2纳米粒子及其光催化反应研究闫鹏飞1,2,周德瑞1,王建强2,杨立斌2,张迪2,傅宏刚2(1.哈尔滨工业大学应用化学系,哈尔滨150001;2.黑龙江大学化学化工学院,哈尔滨150080)摘要以TiCl4为前驱体,采用水热法制备了掺杂铁离子的TiO2纳米粒子,利用XRD对不同条件下制备的产物进行了表征,探讨了反应温度、胶体溶液pH值和反应时间对水热反应的影响.考察了所制备的Fe3+-TiO2纳米粒子光催化降解罗丹明B的催化性能,实验发现,制备的掺杂0.1%Fe3+-TiO2纳米粒子与纯TiO2相比,具有更好的催化活性.关键词水热法;二氧化钛;掺杂;光催化中图分类号O614文献标识码A文章编号0251-0790(2002)12-2317-05收稿日期:2001-08-30.基金项目:国家自然科学基金(批准号:20171015,20171016)、教育部重点项目(2002)、黑龙江省自然科学基金(批准号:B00-06)和黑龙江省普通高等学校骨干教师创新能力资助计划(2001)资助.联系人简介:傅宏刚(1962年出生),男,博士,教授,博士生导师,从事电极、催化材料和理论化学研究.纳米TiO2具有大的比表面积和高的反应活性,在光电池的研制[1]、气相[2]和液相[3]有机污染物的处理方面应用广泛.掺杂过渡金属离子的表面修饰方法可以提高TiO2的光催化性能[4],水淼等[5]制备了掺杂镧离子的TiO2纳米粉,发现在一定条件下制备的掺杂TiO2对X-3B活性艳红染料的降解率远高于纯TiO2.目前,制备纳米TiO2的方法有溶胶-凝胶法[6]、均匀沉淀法[7]和水热法[8]等,其中水热法具有产品纯度高,产物尺寸可通过反应条件来控制和可规模化生产等优点[9].水热法主要是在特制的密闭反应器中,采用水溶液作为反应介质,通过对反应容器加热,制造一个高温、高压的反应环境,使得通常难溶的或不溶的物质溶解,并且生成新的晶体[10].本文采用水热法制备了掺杂铁离子的TiO2纳米粒子,研究了温度、pH值和反应时间对制备掺杂TiO2纳米粒子的影响.罗丹明B是常见的有机染料,也是常见的有机污染物之一,我们采用制备的掺杂TiO2纳米粒子对光催化降解罗丹明B进行了研究,结果表明,与纯TiO2相比,掺杂的TiO2具有更高的催化活性.1实验部分1.1水热法制备TiO2纳米粒子取一定量的TiCl4溶液,在冷却条件下向其中缓慢加入去离子水,加入一定量的Fe(NO3)3·9H2O,再用4mol/LNaOH调节pH值,制成白色胶体.取一定量的胶体溶液放入内层衬有聚四氟乙烯的水热反应釜中,在一定温度下恒温.反应一定时间后,取出产物,过滤,洗涤,用AgNO3检验Cl-的去除情况,烘干后得到掺杂的TiO2纳米粉.1.2样品表征对不同条件下制备的产物用日本理学D/Max-ⅢBX射线衍射仪对其晶相结构和晶粒尺寸进行了表征.紫外漫反射(DRS)在日本岛津UV-3100紫外-可见吸收光谱仪上测定,以BaSO4为背底,中等速度扫描.粉体的拉曼光谱采用BrukerRFS1000FT-Raman光谱仪测定,激发波长1064nm,扫描次数200次,激发能20～50mW.用能谱元素分析(EDS)对产物进行了成分分析.Vol.23高等学校化学学报No.122002年12月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES2317～23211.3光催化性能评价取20mL罗丹明B水溶液(10mg/L)置于反应器中,通入空气并搅拌,以160W汞灯为光源,催化剂用量为0.2g,每隔20min取样,离心后取上层清液,用日本Hitachi公司U-2000紫外-可见分光光度计测定反应溶液的吸光度变化,衡量催化剂的催化活性.2结果和讨论2.1温度对制备TiO2纳米粒子的影响图1为采用胶体为前驱体,用水热法分别在80,120,140,160,180和200℃下恒温10h制得掺Fig.1TheeffectoftemperatureonthephaseconstitutionofFe3+-TiO2杂铁离子的TiO2纳米粒子的XRD图,与标准的锐钛矿相TiO2的XRD图相比可以看出,所得的产物为锐钛矿相纳米晶,其中衍射角2θ为25.42°,37.82°和47.64°,分别属于锐钛矿相的(101),(004)和(200)晶面的衍射峰.而80℃时未有锐钛矿相晶体生成,这可能是因为TiCl4水解生成的Ti[(OH)nClm]是难溶性物质,在水热反应中,只有在一定的高温和高压下才能发生溶解-结晶的过程,生成TiO2晶体,而在80℃下,难以发生这种反应,所以无法得到TiO2晶体.随着恒温温度的增加,2θ=25.42°峰的半峰宽逐渐变小,晶粒的粒径逐渐增大.2.2pH值的影响反应体系的p