PAM摻雜的二氧化鈦粉體的制備與光催化研究

傅岳龍 房名浩 王旭明

中國地質大學（北京）材料科學與工程學院 100083

PAM摻雜的二氧化鈦粉體的制備與光催化研究

傅岳龍 房名浩 王旭明

中國地質大學（北京）材料科學與工程學院 100083

以鈦酸四丁酯為原料，添加了鐵元素和氟元素，并摻雜不同量的聚丙烯酰胺采用溶膠凝膠法制備了不同煅燒溫度下的納米TiO2粉體，在紫外光照射后，通過紫外-可見分光光度計測量了光催化降解反應后降解率的變化。實驗表明：添加適量聚丙烯酰胺有助提高TiO2的活性，細化晶粒，在500℃時其催化效率最高。

1 、引言

納米TiO2光催化劑TiO2具有分解有害物質(用于污水及空氣污染治理)，阻殺致病細菌，凈化環境之功能，且具有光催化活性易恢復、廣譜安全、節能、穩定、清潔無毒、無二次污染等優點[1-4]，作用持久且價廉引起了人們的關注，被廣泛用于以涂料、玻璃、陶瓷為代表的綠色建材領域[5-8]。TiO2禁帶寬度大(Eg=3.2eV)，只有波長較短的太陽光能(<387nm)才能被吸收，而太陽光中只有大約4%～6%的紫外光，對太陽能利用率很低[9-11]。聚丙烯酰胺（PAM）為水溶性高分子聚合物，不溶于大多數有機溶劑，具有良好的絮凝性，可以降低液體之間的摩擦阻力。本實驗利用聚丙烯酰胺的這些特性在TiO2中摻雜了一定量的PAM，改善了TiO2的性能，顯著提高了TiO2的光催化活性。

2 、實驗部分

2.1 試劑與儀器

鈦酸四丁酯，濃鹽酸，無水乙醇，氟化銨，聚丙烯酰胺（PAM），硝酸鐵，均為分析純；甲基橙（指示劑）；實驗用水均為蒸餾水。

掃描電子顯微鏡；X射線衍射儀；紫外分光光度計。

2.2 光催化劑的制備

將10.0 mL鈦酸丁酯在攪拌下逐滴加入50.0mL無水乙醇中，得到溶1。將1.5mL濃鹽酸與15.0 mL蒸餾水及適量硝酸鐵（Fe0.15wt%）和氟化銨（F0.15wt%）以及一系列不同濃度的PAM(PAM的濃度為0.1～1.0(wt)% )充分混合得到溶液2，。在攪拌條件下，將溶液2滴加到溶液1中，繼續攪拌30min。室溫下陳化至溶液完全轉變為凝膠，80℃干燥12h得干凝膠，在一定溫度下焙燒保溫4h，研磨成粉末。改變煅燒溫度（400℃、450℃、500℃、550℃、600℃），考察其物相及光催化影響。

2.3 光催化實驗

將250.0 mg樣品加到250.0 mL濃度為事先配制的10mg·L-1甲基橙溶液中進行甲基橙溶液的催化脫色降解，每隔20min取樣3.00mL，離心分離去除光催化劑。用分光光度計測定上層清液在462.5 nm(甲基橙的最大吸收波長)處的吸光度值。甲基橙溶液的脫色率D表征該催化劑的催化活性，脫色率D為：D=(A0-A)/A0× 100%，其中，A0：甲基橙溶液的初始吸光度值，A：脫色后甲基橙溶液的吸光度值。

3 、結果與討論

3.1 XRD物相分析及SEM分析

圖1 不同燒結溫度的0.4%PAM-TiO2圖譜

由圖1可以看到0.4%PAM－TiO2粉體從400℃到600℃熱處理過程中，金紅石型均占主要部分。而且PAMTiO2粉體衍射峰隨溫度升高逐漸變窄，說明粒子尺寸逐漸長大。

在圖2的掃描電鏡中可以明看到燒結溫度從400℃到600℃升高的過程中，晶粒雖有增大，但并不明顯。圖2-b與圖3比較，粒徑有所減小，說明PAM的加入有利于抑制晶粒的生長。

圖2 不同燒結溫度的PAM-TiO2 SEM圖

圖3 500℃時燒結的無PAM的TiO2 SEM圖

3.2 PAM摻量對TiO2光催化活性的影響

利用溶膠凝膠法并在燒結溫度為500℃下制備的摻PAM的質量分數分別為0.0%、0.1%、0.2%、0.4%、0.8%、1.0%的TiO2粉體，在300W汞燈下的降解率如圖4所示。

由圖4可看出，隨著PAM摻量的增加，甲基橙的降解率先降低后升高，在0.4%處達到最高值，然后又回落，并且只有摻量為0.4%的降解率高于不摻PAM時的降解率。

3.3 燒結溫度對TiO2光催化活性的影響

用溶膠－凝膠法在燒結溫度分別為400℃，450℃，500℃，550℃和600℃下對其進行熱處理4h制備的摻PAM質量分數為0.4%的TiO2粉體，其降解率見圖5。

圖4 甲基橙降解率隨PAM摻量的變化

圖5 燒結溫度對甲基橙降解率的影響

由圖可以看出燒結溫度對TiO2光催化性能影響較大，在500℃時其催化活性最高，而在550℃和600℃時催化活性幾乎為零。

4 結論

摻雜適量的PAM可有效提高TiO2光催化性能，且PAM的摻雜量存在一個最佳值，在本實驗中對甲基橙光催化降解效率的最佳PAM摻雜質量分數為0.4%。最佳燒結溫度為500℃，催化效率可達44.07%。XRD及SEM測試顯示，適量PAM的加入抑制了晶粒的生長，細化晶粒。

[1]管晶，梁文懂.摻釩二氧化鈦的可見光催化性能研究[J].應用化工.2006，2：117-119

[2]王延延，周國偉，徐會穎等.光催化劑TiO2改性研究進展[J].硅酸鹽通報.2008，27（3）：562～567

[3]Beata Wawrzyniak,Antoni Waldemar Morawski and Beata Tryba.Preparation of TiO2-nitrogen-doped photocatalyst active under visible light.International Journal of Photoenergy，2006，68248：1～8

[4]劉鑫，劉福田，張寧等.V、La共摻雜對納米TiO2光催化降解甲基橙的研究[J].陶瓷學報.2007，28（2）：104～107

[5]高濂，鄭珊，張青紅.納米氧化鈦光催化材料及應用.北京：化學工業出版社.2005

[6]劉守新，劉鴻.光催化及光電催化基礎與應用.北京：化學工業出版社.2006

[7]Gary A，Epling Chitsan Lin.Photoassisted bleaching of dyes utilizing TiO2 and V ible light[J].Chemosphere，2002(46)：561-570

[8]白潔.納米TiO2復合催化劑的合成及其光催化性能研究[D].蘭州:西北師范大學.2007：25-26

[9]VORONTSOV A V，STOYANOVAL I V，KOZLOV D V，et al.Kinctics of the.Photocatalytic oxidation of gascous acctonc over platinized titanium dioxide[J].J Catal，2000，189(2)：360-369

[10]蘇碧桃，白潔，慕紅梅，等.自然光下Fe3+摻雜納米TiO2光催化降解亞甲基藍的研究[J].西北師范大學學報：自然科學版.2006，42(6)：51-55

[11]張海祿.高效二氧化鈦光催化劑的制備及其性能研究[D].武漢：武漢科技大學.2004：25-29

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.015

溶膠凝膠；TiO2；PAM；光催化性能