N摻雜TiO2/ACF復(fù)合材料的制備和表征

藺波濤， 施冬梅

(軍械工程學(xué)院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003)

N摻雜TiO2/ACF復(fù)合材料的制備和表征

藺波濤， 施冬梅

(軍械工程學(xué)院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003)

以鈦酸丁酯(Ti(OC4H9)4)為前軀體，尿素(CO(NH2)2)為N源，采用膠溶-回流法制備了N摻雜的TiO2，利用浸漬提拉法將其負(fù)載到活性炭纖維(Activated Carbon Fiber, ACF)表面，制得TiO2/ACF復(fù)合材料,運(yùn)用X射線(xiàn)衍射(X-Ray Diffraction,XRD)、X射線(xiàn)光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS)、紫外-可見(jiàn)漫反射光譜(Uv-vis-Diffuse Reflection Spectroscopy,Uv-vis-DRS)、氮?dú)馕椒?Brunauer-Emmertt-Teller,BET)等手段對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了表征，考察了復(fù)合材料光催化降解氣相甲醛的性能。研究結(jié)果表明：提高回流溫度有利于抑制TiO2由銳鈦礦型向金紅石型轉(zhuǎn)變；摻入氮元素可以抑制TiO2晶粒的生長(zhǎng)，同時(shí)其激發(fā)光源從紫外光區(qū)拓展到了可見(jiàn)光區(qū)，但在紫外光區(qū)的吸光度有所下降；當(dāng)回流溫度為80 ℃、煅燒溫度為400 ℃、摻氮量為1%時(shí)，復(fù)合材料對(duì)甲醛的去除率最高，可達(dá)到82.1%。

TiO2/ACF復(fù)合材料；N摻雜；光催化

TiO2光催化劑具有的高化學(xué)穩(wěn)定性和高活性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為光催化氧化技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的常用催化劑。然而，TiO2光催化劑的禁帶寬度僅為3.2 eV，所需激發(fā)光源的波長(zhǎng)范圍僅限于387 nm的紫外光，此波段的紫外光在太陽(yáng)光中所占比例非常小，導(dǎo)致TiO2對(duì)自然光的利用率很低。Bayati等[1]認(rèn)為，對(duì)TiO2進(jìn)行非金屬離子摻雜改性可以有效提高TiO2的光催化效率:一方面,非金屬離子摻入TiO2，引入了晶格氧空位，或者直接取代部分氧空位，形成TiO2-xAx晶體，導(dǎo)致更多晶格缺陷的產(chǎn)生，從而使TiO2對(duì)可見(jiàn)光產(chǎn)生響應(yīng)；另一方面，O原子的2p軌道與摻雜的非金屬離子的p軌道雜化，從而使價(jià)帶上移，TiO2禁帶寬度減小，光吸收范圍發(fā)生紅移。在以往研究中，N的摻雜在非金屬離子(C、B、S、F)摻雜中具有較好的效果[2]，適量N元素的摻入，可以陰離子的形式將TiO2晶格中的O置換，生成Ti—O—N鍵，O的2p軌道與N的2p軌道之間發(fā)生雜化，產(chǎn)生新的能級(jí)結(jié)構(gòu)，降低了TiO2的帶隙能，使TiO2的激發(fā)光源從紫外光拓展到可見(jiàn)光區(qū)域[3]；另外，N的摻入可以提高TiO2光生電子-空穴對(duì)的分離效率，使載流子的傳輸時(shí)間增長(zhǎng)，進(jìn)而延長(zhǎng)光生電荷的壽命，提高可見(jiàn)光催化活性[4]。

活性炭纖維(Activated Carbon Fiber，ACF)是一種多孔性吸附材料，其微孔占總體積的90 %以上，直接分布于纖維的表面，孔徑小且為單分散，具有比表面積大、吸附力強(qiáng)、吸附容量大和吸脫附速率快等優(yōu)點(diǎn)。將TiO2負(fù)載在ACF表面，一方面，TiO2把吸附在ACF上的揮發(fā)性有機(jī)物及時(shí)降解，形成內(nèi)、外質(zhì)的濃度差，實(shí)現(xiàn)ACF的原位再生能力，增加其吸附量；另一方面，ACF利用自身的吸附能力對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行富集、濃縮，增加局部濃度，同時(shí)可以捕獲中間產(chǎn)物，提高礦化率。

筆者以鈦酸丁酯(Ti(OC4H9)4)和尿素(CO(NH2)2)為主要原料，采用膠溶-回流法和浸漬提拉法相結(jié)合制備了N摻雜的TiO2/ACF復(fù)合材料。運(yùn)用X射線(xiàn)衍射(X-Ray Diffraction,XRD)、X射線(xiàn)光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS)、紫外-可見(jiàn)漫反射光譜(Uv-vis-Diffuse Reflection Spectroscopy,Uv-vis-DRS)、氮?dú)馕椒?Brunauer-Emmertt-Teller,BET)等手段對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了表征，以氣相甲醛為目標(biāo)污染物，考察了復(fù)合材料在白熾燈照射下對(duì)氣相甲醛的去除性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)材料和儀器分別如表1、2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)原料

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2 復(fù)合材料的制備

首先，將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的ACF置于上述制備的TiO2溶膠中，浸漬10 min;然后,從溶膠中勻速緩慢地提拉出來(lái)，放置于干燥箱中，在80 ℃下干燥3 h;最后,將其置于馬弗爐中以一定溫度焙燒2 h，即制得N摻雜的TiO2/ACF復(fù)合材料。重復(fù)一次上述操作，可制得負(fù)載2層的TiO2/ACF。

1.3 光催化性能測(cè)試

圖1 自制反應(yīng)裝置實(shí)物圖

光催化活性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)在自制的反應(yīng)裝置中進(jìn)行，如圖1所示。測(cè)試步驟為: 1)向反應(yīng)艙內(nèi)加入液相甲醛0.7 μL，使反應(yīng)艙內(nèi)甲醛氣體的濃度達(dá)到2.5 mg/m3；2)將制備的TiO2/ACF復(fù)合材料懸掛于反應(yīng)艙中央，在避光條件下使復(fù)合材料對(duì)甲醛氣體預(yù)吸附60 min；3)開(kāi)啟光源(波長(zhǎng)為380～760 nm、功率為100 W的白熾燈)，用甲醛檢測(cè)儀檢測(cè)艙內(nèi)甲醛濃度變化，每隔30 min記錄一次，反應(yīng)時(shí)間為390 min。復(fù)合材料對(duì)甲醛的去除率計(jì)算公式為

式中：C0為初始時(shí)刻甲醛氣體的濃度；Ct為t時(shí)刻甲醛氣體的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)

圖2為摻氮量為1%，不同回流溫度下制備的未經(jīng)熱處理的TiO2XRD圖。可以看出：利用恒溫回流法在40 ℃下即可制得銳鈦礦型TiO2，并且隨著回流溫度的升高，TiO2的粒徑逐漸增大，導(dǎo)致銳鈦礦型TiO2的衍射峰逐漸變得尖銳。

圖2 不同回流溫度下制備的未經(jīng)熱處理的TiO2XRD圖

考慮到ACF燃點(diǎn)的限制，將在不同回流溫度下制備的TiO2置于450 ℃的環(huán)境中煅燒，其XRD譜圖如圖3所示。

圖3 不同回流溫度下制備的TiO2經(jīng)過(guò)450℃煅燒后的XRD圖

由圖3可知：經(jīng)450 ℃煅燒后，樣品中金紅石型TiO2的含量隨回流溫度的升高而逐漸減少，這說(shuō)明提高制備TiO2的回流溫度有利于抑制其晶型從銳鈦礦型向金紅石型的轉(zhuǎn)變。圖4為回流溫度為80 ℃時(shí)制備的TiO2在不同溫度煅燒后的XRD譜圖。可以看出：1)經(jīng)過(guò)煅燒后，銳鈦礦型TiO2的特征峰強(qiáng)度增強(qiáng)，峰形逐漸變得尖銳,峰寬變窄，說(shuō)明TiO2的晶體結(jié)構(gòu)趨于完整;2)隨著熱處理溫度的升高，TiO2的特征峰變得尖銳，晶粒粒徑逐漸增大，當(dāng)煅燒溫度為450 ℃時(shí)，出現(xiàn)了金紅石型TiO2。

圖4 回流溫度為80 ℃時(shí)制備的TiO2經(jīng)過(guò)不同溫度煅燒后的XRD圖

圖5為不同摻氮量下制備的TiO2經(jīng)過(guò)400 ℃熱處理的XRD譜圖。可以看出:1)TiO2摻雜N元素后，譜圖中出現(xiàn)新的衍射峰，樣品均為銳鈦礦型TiO2;2)隨著摻氮量的增加，衍射峰的強(qiáng)度減弱，TiO2的粒徑有所減小，說(shuō)明N的摻入可以抑制TiO2晶粒的生長(zhǎng)[5]。

圖5 不同摻氮量下制備的TiO2經(jīng)過(guò)400℃熱處理的XRD圖

2.2 XPS分析

圖6為摻氮量為1%時(shí)TiO2/ACF復(fù)合材料的XPS譜圖。由圖6(a)可知:樣品的譜圖中含有Ti2s、Ti2p、Ti3s、Ti3p、N1s、O1s和C1s譜峰，其中985.5、1 115.5 eV處的譜峰分別為O和Ti的俄歇電子峰，N1s峰的出現(xiàn)證明了N元素已經(jīng)成功摻入到晶格中。由圖6(b)可知：在464.4、458.5 eV處形成Ti2p的2個(gè)特征峰，沒(méi)有肩峰的出現(xiàn)，表明Ti元素以Ti4+的形式存在[6]。由圖6(c)可知：1)O1s的譜峰形狀呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)性，表明存在化學(xué)態(tài)不同的氧，531.8 eV處的特征峰為T(mén)iO2吸附氧形成的;2)TiO2中的氧空缺極易與其他官能團(tuán)和原子結(jié)合形成氫氧化物，從而導(dǎo)致吸附氧的產(chǎn)生[7],529.9 eV處的特征峰對(duì)應(yīng)于TiO2晶格中的O2-。由圖6(d)可知：401.3 eV處的特征峰為催化劑表面吸附的N2表現(xiàn)出的N1s峰[8]，在399.3 eV處有一個(gè)較強(qiáng)的吸收峰，為N—Ti—O的特征峰。其原因是:1)元素的電負(fù)性越小，形成化學(xué)鍵時(shí)對(duì)成鍵電子的吸引力就越弱，其周?chē)娮用芏染蜁?huì)降低，導(dǎo)致結(jié)合能升高;2)由于N的電負(fù)性比O低，當(dāng)N置換出TiO2中的O形成N—Ti—O后，N周?chē)碾娮用芏纫∮赥iN中N周?chē)碾娮用芏龋虼薔—Ti—O中N1s的結(jié)合能(399.3 eV)高于N—Ti—N中N1s的結(jié)合能(397.2 eV)，從而證明了N進(jìn)入了晶格內(nèi)部[9]。

圖6 摻氮量為1%時(shí)TiO2/ACF復(fù)合材料的XPS譜圖

2.3 光吸收范圍

圖7為在不同摻氮量下制備的TiO2紫外-可見(jiàn)光譜圖。可以看出：1)純TiO2的吸收光譜主要在紫外光區(qū)域，在波長(zhǎng)大于400 nm的可見(jiàn)光區(qū)域吸收強(qiáng)度迅速下降；2)摻氮后TiO2的吸光范圍出現(xiàn)了明顯紅移現(xiàn)象，在可見(jiàn)光區(qū)域的吸光度有了較大幅度提高，但在紫外光區(qū)域的吸光度卻有所下降，并且隨著摻氮量的增大，TiO2的吸光范圍先發(fā)生紅移，超過(guò)1.5%后又發(fā)生了藍(lán)移。

圖7 不同摻氮量下制備TiO2紫外-可見(jiàn)光譜圖

其原因?yàn)椋阂环矫?N替代了晶格中的O，費(fèi)米能級(jí)附近的價(jià)帶由O原子、N原子2p軌道上的電子共同組成，在價(jià)帶上方附近形成了雜質(zhì)能級(jí)[10]；另一方面，N原子在導(dǎo)帶區(qū)2p軌道上的電子與Ti原子3d軌道上的電子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致Ti原子3d軌道的態(tài)密度和電子占據(jù)寬度發(fā)生較大變化;兩者共同作用使TiO2的禁帶寬度減小，光吸收波長(zhǎng)發(fā)生紅移，當(dāng)N摻雜量過(guò)多時(shí)，N的雜質(zhì)能級(jí)又會(huì)成為光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合中心，從而使TiO2的光吸收波長(zhǎng)又發(fā)生藍(lán)移[11]。

2.4 比表面積

圖8為ACF負(fù)載TiO2前、后氮吸附-脫附等溫線(xiàn)與孔徑分布。可以看出：1)ACF負(fù)載1層TiO2的比表面積為849.4 m2/g,負(fù)載2層TiO2后的比表面積為537.28 m2/g,ACF負(fù)載2層TiO2后比表面積有所減小；2)結(jié)合ACF負(fù)載TiO2前、后的孔徑分布圖分析可知，進(jìn)入ACF微孔內(nèi)的TiO2很少，ACF表面的微孔沒(méi)有發(fā)生太大變化，主要分布在ACF表面及其大孔內(nèi)，且TiO2在ACF表面呈松散的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致ACF比表面積減小的原因主要是：一些粒徑較小的TiO2進(jìn)入其過(guò)渡孔內(nèi)，造成部分過(guò)渡孔的堵塞。

圖8 ACF負(fù)載TiO2前、后氮吸附-脫附等溫線(xiàn)與孔徑分布

2.5 甲醛去除率

圖9為摻氮量為1%、回流溫度為80 ℃時(shí)，經(jīng)不同溫度熱處理制備的TiO2/ACF復(fù)合材料對(duì)甲醛的去除率。可以看出：1)在前60 min內(nèi)，經(jīng)450 ℃煅燒后的復(fù)合材料對(duì)甲醛的吸附量最大，未煅燒的吸附量最小，說(shuō)明TiO2/ACF復(fù)合材料經(jīng)過(guò)一定溫度煅燒后吸附能力有所增強(qiáng)，這與張秀林[12]的研究結(jié)論相同；2)反應(yīng)進(jìn)行390 min時(shí)，隨著煅燒溫度的上升，復(fù)合材料對(duì)甲醛的去除率逐漸提高，經(jīng)400 ℃煅燒后的復(fù)合材料對(duì)甲醛的去除率最高，達(dá)到82.1%，但煅燒溫度上升到450 ℃時(shí)，復(fù)合材料對(duì)甲醛的去除率下降為72.5%。

圖9 不同溫度熱處理制備的TiO2/ACF復(fù)合材料對(duì)甲醛的去除率

其原因可能是：煅燒溫度對(duì)ACF吸附性能及TiO2晶型結(jié)構(gòu)的影響，使得TiO2的晶型結(jié)構(gòu)隨著煅燒溫度的提高而逐漸趨于完整，且光催化性能逐步提高，但煅燒溫度達(dá)到450 ℃時(shí)，生成了較多的金紅石型TiO2，從而造成光催化性能的下降。

圖10為不同摻氮量、回流溫度為80 ℃時(shí)，經(jīng)過(guò)400 ℃熱處理制備的TiO2/ACF復(fù)合材料對(duì)甲醛的去除率。可以看出：摻氮后，TiO2在可見(jiàn)光照射下的光催化性能得到明顯提高，但摻雜濃度存在一個(gè)最佳值，這與DRS的分析結(jié)論相一致。

圖10 不同摻氮量下TiO2/ACF復(fù)合材料對(duì)甲醛的去除率

3 結(jié)論

筆者結(jié)合膠溶-回流法和浸漬提拉法制備了TiO2/ACF復(fù)合材料，研究了回流溫度、煅燒溫度、摻氮量等因素對(duì)TiO2晶型結(jié)構(gòu)以及光催化性能的影響。TiO2摻氮后激發(fā)光源從紫外光區(qū)拓展到了可見(jiàn)光區(qū)，當(dāng)摻氮量為1%時(shí)，復(fù)合材料對(duì)甲醛的去除率最高，達(dá)到82.1%,這為進(jìn)一步研究TiO2/ACF復(fù)合材料吸附降解彈藥庫(kù)房中的揮發(fā)性有機(jī)物奠定了基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Preparation and Characterization of N-doped TiO2/ACF Composite Material

LIN Bo-tao, SHI Dong-mei

(Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003,China)

Ti(OC4H9)4as precursor and CO(NH2)2as N source, N/TiO2is prepared using peptization-reflux.TiO2is loaded to ACF surface by the use of dip-coating method. TiO2/ACF is characterized by means of X-Ray Diffraction(XRD), X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS), Uv-vis-Diffuse Reflection Spectroscopy(Uv-vis-DRS) and Brunauer-Emmertt-Teller(BET). And the performance of degradation CH2O is investigated. The results show that the rise of the reflux temperature is beneficial to restraining the conversion of TiO2from anatase to rutile. N incorporated into TiO2helps control the growth of TiO2grains. And the range of light absorbed by TiO2is red shifted, but the absorbance is decreased in the ultraviolet. When the reflux temperature is 80 ℃, the calcination temperature is 400 ℃ and doping N content is 1%, the rate of removal for CH2O is maximum, up to 82.1% by TiO2/ACF in the visible light.

TiO2/ACF Composite Material;N doping;photocatalytic

1672-1497(2015)05-0063-06

2015-06-24

藺波濤(1987-)，男，碩士研究生。

TQ560.79; TQ032

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.05.014