纳米TiO_2复合薄膜光催化降解甲基橙的研究_刘凡新

研究简报纳米TiO2复合薄膜光催化降解甲基橙的研究刘凡新,崔作林,张志琨(青岛科技大学纳米材料研究所,青岛266042)摘要:本文通过Sol-Gel工艺在载玻片表面、多孔陶瓷表面及玻璃纤维表面制得了均匀透明的纳米TiO2复合薄膜,以甲基橙为研究对象,紫外灯为光源,研究了甲基橙初始浓度、光照时间、催化剂载体比表面、初始溶液的pH值对甲基橙降解率的影响,并比较了半导体耦合薄膜的光催化降解能力.研究结果表明:SnO2-TiO2复合膜相对于其它耦合膜及金属(La)掺杂膜有较高的降解率.关键词:纳米二氧化钛复合薄膜;甲基橙;光催化;半导体耦合文章编号:1000-3231(2003)02-0119-07中图分类号:O64文献标识码:A随着工业的发展,人类本已有限的水资源受到日益严重的污染,清除水体中的有毒有害化学物质如农药、有机染料等成为环保领域的重要工作.但目前水污染的处理方法大多是针对排放量大、浓度较高的污染物,对于水体中浓度低、难以转化的优先污染物的净化,还无能为力.而80年代发展起来的光催化降解技术却为这一问题的解决提供了良好的途径.由于二氧化钛光催化氧化剂价廉、易得、无毒、稳定性好、氧化性强等特点,可使有机物不同程度得以降解,已被证实在水处理技术中具有重大的应用前景,因而倍受关注[1].目前悬浮相二氧化钛光催化氧化剂在水中易凝聚、失去活性,且使光的穿透力受阻,尤其是处理后的催化剂的分离与回收的难题已成为该项技术能否实用化的关键[2].因此,自90年代后期主要开展二氧化钛粉末的固定化技术.但由于大面积使用粉末成本高、活性涂层与载体结合强度差、比表面积小、不易制备循环流动型光催化设备,粉末固定化技术实际应用有一定的局限性[3].而纯二氧化钛薄膜光催化活性和光催化反应速率偏低,而难以工程化应用[4].为此,本工作利用溶胶-凝胶法制备金属掺杂镧二氧化钛复合薄膜及半导体(二氧化锡、二氧化硅)与氧化钛复合制备薄膜的方法,以此来提高二氧化钛薄膜的光催化活性,并研究了二氧化钛复合薄膜对甲基橙溶液的降解行为.收稿日期:2002-09-27;修回日期:2002-11-06作者简介:刘凡新(1977-),男,硕士研究生,通讯联系人;指导教师:崔作林(1942-),男,教授,博导.119第21卷第2期感光科学与光化学Vol.21No.22003年3月PHOTOGRAPHICSCIENCEANDPHOTOCHEMISTRYMar.,20031实验1.1TiO2复合胶体的制备以分析纯的钛酸丁酯作为TiO2的前驱物,采用分析纯乙醇作为溶剂,钛酸丁酯与乙醇的体积比为1∶5,加入一定量的二乙醇胺来延缓钛酸丁酯的强烈水解.在20℃时,用恒温磁力搅拌器搅拌2h,然后加入一定配比的乙醇、水、金属镧化合物(或不加)搅拌15min后加入乙醇,PEG及DMF等获得掺杂及未掺杂溶胶.金属镧的添加量在作者以前的工作中经正交法试验得出,最佳掺杂量为1.5%(摩尔含量).1.2TiO2[5]及SnO2[6]胶体制备以正硅酸乙酯(TEOS)作为TiO2的前驱物,具体步骤如下:将22.3mLTEOS放入74mL的无水乙醇中,在搅拌状态下以TEOS∶H2O∶HCl=1∶2∶0.03(at)的比例加入H2O及HCl,然后把上述混合液移至70℃水浴中,回流2h,最后加入1mLDMF,得到所需溶胶.SnO2前驱物溶液的合成如下:室温下将10.12g二氯化锡[SnCl·2H2O,分析纯]与100mL无水乙醇混合搅拌后,得到微浊的溶液;将室温下得到的溶液转移至回流装置中,在80℃下回流2h;回流过程中,先体溶液逐渐由微浊变为清亮,并进而由无色变为黄色,等溶液冷却后在室温下静置48h,即可用于制备纯的二氧化锡薄膜.1.3薄膜的制备本文分别用载玻片、多孔陶瓷及玻璃纤维为基底进行烧结成膜.浸渍前先对载玻片进行清洁处理:首先用自来水清洗,再用丙酮超声清洗15min,然后用去离子水超声清洗15min,最后在100℃下干燥.用自改造的绕线机进行提拉成膜,多孔陶瓷及玻璃纤维直接浸渍TiO2复合胶体成膜.对载玻片来说,先把一片载玻片放在TiO2复合胶体中浸渍2min,然后以6cm/min的速度提拉成膜,湿膜在100℃下干燥5min后,放入马弗炉(箱形电阻炉)中在500℃下热处理2h,重复上述操作制得7层薄膜,其中最后一层热处理后,炉温冷却.另取9片载波片按表1的顺序用未掺杂TiO2胶体、SnO2胶体及TiO2胶体进行复合处理.表1TiO2复合薄膜的组成ThecompositionofTiO2compositethinfilms序号12345薄膜组成TiO2-SnO2TiO2-SiO2TiO2-TiO2SiO2-SnO2SiO2-TiO2序号6789薄膜组成SiO2-SiO2SnO2-SiO2SnO2-TiO2Sn