氮摻雜二氧化鈦光催化降解甲基橙的研究*

左玉香

（鹽城師范學院 化學化工學院，江蘇 鹽城 224002）

銳鈦礦型TiO2具有最好的光敏性，是廣泛應用于水凈化、空氣凈化、廢水處理等環境處理的半導體催化劑之一[1，2]。1986年Sato S發現N的引入可使TiO2具更好的光催化活性，2001年Asahi R在Science上報道了N-TiO2光活性提高是由于N代替少量的晶格O使TiO2的帶隙變窄[3]。印染行業廢水因其高色度、強毒性、降解難的特點，成為水處理研究的熱點。而偶氮染料的用量約占50%以上，甲基橙是具有代表性的一種，它易溶于水，性質十分穩定，用傳統的生物法難以降解。本實驗以尿素為N源，采用溶膠-凝膠法制備N摻雜TiO2，并用XRD、SEM對樣品進行表征，考察了焙燒溫度、通氣量對N-TiO2光催化甲基橙活性的影響。

1 實驗部分

1.1 樣品制備

將10.0mL鈦酸四丁酯溶于30mL無水乙醇中攪拌得溶液A；將一定量的去離子水及15mL無水乙醇、5mL HAc混合均勻得溶液B。將B緩慢滴加到A中后，加入5g尿素，繼續攪拌1h，陳化12h后得N-TiO2凝膠，80℃下將前軀體烘干，研碎后在馬弗爐350、500℃下煅燒3h，得到黃色N-TiO2催化劑粉體[5-8]。

1.2 催化劑標征

制備的樣品用D/max23BX型X射線衍射儀分析物相，確定粉體的晶相結構；JEOL SM-5510LV掃描電鏡觀察摻雜粉體的顆粒形貌。

1.3 光催化性能測試

以250W高壓汞燈（上海亞明）作為光源（提前10min打開，穩定光源），取0.1g催化劑樣品，加入到100mL的甲基橙溶液中（未說明濃度均為10mg·L-1），避光攪拌30min后，放置在高壓汞燈下繼續攪拌，每隔0.5h取樣，離心分離后，取上層清液用VIS-723型可見分光光度計測定甲基橙溶液在波長464nm的吸光度值，計算降解率D：

2 結果與討論

2.1 XRD結果分析

圖1是不同溫度煅燒的N-TiO2黃色粉末廣角XRD圖譜。

圖1 N-TiO2材料廣角X射線衍射圖譜Fig.1 Wide-angle XRD patterns of N-TiO2

由圖1可知，所有衍射峰都完全與銳鈦礦相TiO2一致（JCPDS-21-1272），圖譜中未出現金紅石及板鈦礦特征峰，表明樣品純度高[4]，N的摻雜未引入新物種，其可能以填隙或置換方式高度分散在TiO2晶格內部[2]。500℃煅燒的樣品衍射峰尖銳，且比350℃的強，煅燒溫度升高有利于晶體發育和晶體結構的完美[5]。

2.2 SEM結果分析

圖2為不同溫度煅燒的N-TiO2黃色粉末的SEM。

圖2 N-TiO2掃描電鏡圖譜Fig.2 SEM patterns of N-TiO2

由圖2可知，350℃煅燒樣品顆粒呈小球形，粒子分布不均勻，有部分團聚[6]；500℃煅燒樣品表面呈蜂窩孔狀結構，有利于增強反應物的吸附和生成物的脫附，這可能是其催化活性較高的原因。

2.3 煅燒溫度對光催化活性的影響

350、500℃樣品降解率見圖3。

圖3 煅燒溫度對光催化甲基橙的影響Fig.3 Effect of calcined temperature on degradation of methyl orange

由圖3可見，500℃煅燒的樣品光催化性能比350℃要好，這與樣品XRD及SEM表征結果一致。

2.4 曝氣流量對光催化活性的影響

以500℃煅燒樣品為催化劑，將曝氣流量管通入光催化裝置中，高壓汞燈開啟10min后開始通氣，控制流量為1和5L·min-1，并與不曝氣相對比，其對15mg·L-1甲基橙降解率影響見圖4。

圖4 曝氣量對光催化甲基橙的影響Fig.4 Effect of aeration rates on degradation of methyl orange

圖4說明低通氣量有利于提高光催化反應速率，高通氣量降解率略高于未通氣反應。

3 結論

（1）采用溶膠-凝膠法，以尿素為N源，無水乙醇為溶劑，HAc為水解抑制劑合成了的N-TiO2光催化劑，500℃煅燒為純銳鈦礦相，且孔道密集，催化效果優于350℃煅燒的樣品。

（2）通過控制曝氣流量研究，說明適當的通入空氣能有效提高光催化降解甲基橙的速率和降解率。

［1］Hoffmann MR,Martin S T,Choi W,et al.［J］.Chem.Rev.,1995,95（1）:69-96.

［2］TaoYu，XinTan，LinZhao［J］.JournalofHazardousMaterials，2010，176（1-3）:829-835.

［3］Xiang-Zhong Shen，et al.［J］.Applied Surface Science，2008，254（15）:4726-4731.

［4］Xu JX,Li L P,Yan Y J,et al.［J］.J.Colloid.Interf.Sci.,2008,318（1）:29-34.

［5］劉錦平,趙洪,宋曉莉,等.煅燒溫度對二氧化鈦光催化劑結構的影響［J］.無機鹽工業，2009，41（9）：37-39.

［6］鄭偉，朱裔榮，唐有根，等.氮摻雜SrTiO3的制備及其可見光催化產氫活性研究［J］.無機材料學報，2008，23（3）:443-449.