納米TiO2粒子摻雜改性研究

賴華龍

?

納米TiO2粒子摻雜改性研究

賴華龍

三明職業(yè)技術(shù)學(xué)院

在納米TiO2光催化劑上擔(dān)載SO42-和摻雜金屬離子，不僅能提高光催化劑的光量子效率，還能提高可見光下的光催化活性。但是擔(dān)載SO42-和摻雜金屬離子的量存在過度擔(dān)載的問題，如果擔(dān)載量不適合，反而會降低光催化劑的光量子效率及其在可見光下的光催化活性。故有必要對各個影響因素的擔(dān)載量問題進(jìn)行優(yōu)化選擇。該文采用均勻設(shè)計方法U7(76)對納米TiO2粒子摻雜Pr、Fe金屬離子和擔(dān)載SO42-后的光催化活性進(jìn)行了研究，獲得表觀速率常數(shù)與各因素的關(guān)聯(lián)方程，并得出最佳摻雜量。

納米TiO2摻雜SO42-－Pr－Fe離子 擔(dān)載量 均勻設(shè)計U7(76) 關(guān)聯(lián)方程

1 引言

近年來，為了充分利用納米TiO2在自然光下降解各類污染物，人們在提高TiO2的催化活性和擴(kuò)大激發(fā)波長范圍等方面作了大量的工作。目前研究較多的光催化劑改性技術(shù)包括：復(fù)合半導(dǎo)體、貴金屬沉積、過渡金屬離子摻雜、表面光敏化及非金屬離子摻雜。其中貴金屬及貴金屬離子摻雜最為常用。本文按照均勻設(shè)計方法，采用表U7(76)研究共摻雜（Pr、Fe），以及擔(dān)載SO42-的TiO2基納米粉體優(yōu)化工藝條件。

2 實驗

2.1 實驗試劑與設(shè)備

表1 實驗試劑及設(shè)備

2.2 納米TiO2粒子的制備

以溶膠－凝膠法制備，控制條件pH＝2.99，以超臨界CO2干燥。

2.3 硝酸鐠Pr(NO3)3的制備

稱取一定量Pr2O3，逐滴加入68%的濃硝酸，待反應(yīng)結(jié)束，將溶液靜置數(shù)天，得到Pr(NO3)3溶液。將新制的Pr(NO3)3溶液置于烘箱中低溫干燥，得到Pr(NO3)3·6H2O晶體。用蒸餾水將晶體溶解稀釋制得Pr(NO3)3溶液。

2.4 制備SO42-/TiO2-（Pr，F(xiàn)e）光催化劑

按均勻?qū)嶒炘O(shè)計方法，采用表U7(76)考察Pr摻雜量、Fe摻雜量、SO42-擔(dān)載量3個因素的不同導(dǎo)致光催化劑對羅丹明-B降解速率常數(shù)的影響，實驗因素和水平見表2。

稱取一定量納米TiO2粒子，按表2配方進(jìn)行等量摻雜，浸漬24h，并不斷攪拌，用電熱恒溫干燥箱80℃下烘干樣品并充分研細(xì)，將樣品放在馬弗爐中450℃煅燒3h。即得相應(yīng)樣品A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7。

表2 實驗因素和水平

注：Pr3+：1.042×10-3mol/L；Fe3+：1g/L； SO42-：1mol/L

2.5 TiO2基納米粉體光催化活性表征

由于太陽光作為光源時光照強(qiáng)度很難保持一致，為了考察光催化劑在可見光下的降解性能，在本實驗中采用模擬可見光(Philips YPZ 220/15-S.RR型電子節(jié)能燈，功率15W，光通量950lm)作為光源進(jìn)行光催化降解實驗。

光催化降解實驗在自制的光催化降解反應(yīng)裝置中進(jìn)行，分別取50mg的A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7加入與模擬可見光距離0.4m處的石英玻璃杯中(石英玻璃槽內(nèi)裝50mL的羅丹明-B的水溶液)，壓縮空氣從杯底部吹入，以保持催化劑處于懸浮狀態(tài)，間隔一定時間取樣，用722型紫外—可見光譜儀(200～800nm)測定溶液中羅丹明-B在光照過程中表觀吸光度A的變化。結(jié)果如圖1所示。

圖1 (Pr,Fe)共摻雜擔(dān)載SO42-的樣品對羅丹明-B光催化降解速率的影響

3 結(jié)果分析

光催化降解羅丹明-B過程中，表觀吸光度的比A0/A(A0，A分別表示初始和時間時羅丹明-B溶液的表觀吸光度)可以轉(zhuǎn)換成C0/C(C0，C分別表示初始時和時間時羅丹明-B溶液的濃度)。圖1是A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7粉體在降解羅丹明-B過程中l(wèi)n(0/)～的關(guān)系，用=k對所得結(jié)果進(jìn)行回歸，表3給出回歸結(jié)果、表觀速率常數(shù)及其顯著性檢驗結(jié)果。

表3 光催化特性參數(shù)

注：Pr3+：1.042×10-3mol/L ；Fe3+：1g/L； SO42-：1mol/L

根據(jù)表3的結(jié)果可知，第二組實驗當(dāng)Pr和Fe的摻雜量為別為0.5355mL，0.35mL，SO42-擔(dān)載量為0.25mL時，改性SO42-/ TiO2- (Pr,Fe)光催化活性最佳。

將以上的結(jié)果輸入計算機(jī),利用SPSS11.5軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，得二次回歸方程模型：K=0.963 x12-0.879 x22+0.877 x32+0.234 x1x2-2.11 x1x3+0.553 x2- 0.045

對回歸方程顯著性檢驗結(jié)果見表4,將實驗點的實驗結(jié)果和方程計算結(jié)果作對比，結(jié)果見表5。

表4 　回歸方程顯著性檢驗

表5 實驗結(jié)果與回歸方程計算結(jié)果對比

從回歸方程的顯著性檢驗結(jié)果得知，回歸方程式相關(guān)性很高，具有顯著性意義，將實驗結(jié)果與回歸方程計算結(jié)果對比可知，二者相差甚少。在實驗范圍內(nèi)通過微粒群算法得出優(yōu)化值為Pr摻雜量0.560mL，F(xiàn)e摻雜量0.389mL, SO42-擔(dān)載量0.230mL。將優(yōu)化值代入回歸方程得K=0.1652 ,結(jié)果在估計范圍內(nèi),說明實驗設(shè)計正確，該優(yōu)化方法所得結(jié)論具有可信性。

4 結(jié)論

由以上分析可知，在納米TiO2光催化劑上擔(dān)載SO42-和摻雜金屬離子Pr、Fe，能顯著提高光催化劑的光量子效率。表觀速率常數(shù)K與各因素的關(guān)系為：K=0.963 x12-0.879 x22+0.877 x32+0.234 x1x2-2.11 x1x3+0.553 x2-0.045，其中x1為Pr摻雜量，x2為Fe摻雜量, x3為SO42-擔(dān)載量。最佳摻雜量為x1=0.560mL，x2=0.389mL, x3=0.230mL。

[1] 方開泰.均勻設(shè)計與均勻設(shè)計表[M].北京：科技出版社，1994.

[2] 李玉光,PORTER John F,CHAN CHAK K.焙燒的P-25 TiO2微結(jié)構(gòu)特性和光催化活性[J].物理化學(xué)學(xué)報,1999,15(1):82-85.

[3] 閻建輝, 黃可龍, 劉素琴, 等．銀沉積納米 TiO2光催化劑的制備及活性[J]．應(yīng)用化學(xué), 2005, 22（2）：132-137．

[4] 范崇政,肖建平,丁延偉.納米TiO2的制備與光催化反應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 科學(xué)通報, 2001,46(4): 265-273.