三維粒子電極光電催化亞甲基藍研究

康澤雙 蘇會東

摘 要：以蛭石作為載體，采用溶膠—凝膠法制備TiO2/蛭石，TiO2/蛭石與石墨組成粒子電極，以溶膠凝膠法制備的鈦網光電極為主電極，石墨片為陰極，亞甲基藍溶液為目標降解物，支持電解質為無水硫酸鈉溶液，固定光源為20 W紫外燈，在恒定外電壓的作用下，研究三維光電催化體系對亞甲基藍溶液光電催化降解的效率。實驗結果表明：當二氧化鈦光電極的煅燒溫度為550 ℃，TiO2 /蛭石粒子的煅燒溫度500 ℃，石墨0.8 g， TiO2 /蛭石0.2 g，外接電壓2 V，電極距離3 cm，無水硫酸鈉溶液濃度0.02 mol/L，亞甲基藍溶液濃度5 mg/L時，三維光電催化實驗對亞甲基藍的脫色率達到51.9%。

關 鍵 詞：三維電極；光電催化；粒子電極

中圖分類號：O 643.32 / TQ 032 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1693-04

Study on Photoelectrocatalytic Methylene blue by

the Three-dimensional Particle electrode

KANG Ze-shuang 1，SU Hui-dong2

（1. Henan huahui nonferrous engineering insttute CO， LTE Henan Zhengzhou 450041，China；

2. School of Environmental and Chemical Engineering，Shenyang Ligong University， Liaoning Shenyang 110159， China）

Abstract： he particles electrodes of TiO2/vermiculite were obtained respectively by sol-gel method， mixed GAC to constitute complex particle electrode， Respectively the prepared by sol-gel method to be the main electrode（Titanium photoelectrode），Graphite flakes as cathode，Methylene blue solution as the goal degradation，the supporting electrolyte was Anhydrous sodium sulphate solution，fixed light source was 20 W UV lamp，in the role of a constant external voltage，research on three-dimensional photoelectric catalysis system degradation rate of methylene blue solution.The photoelectrocatalytic experiment shows that ：when calcination temperature of the titania photoelectrode was 550 ℃， calcination temperature of TiO2 / vermiculite particles was 500 ℃ ， Graphite 0.8 g， TiO2 / vermiculite 0.2 g， External voltage 2 V， Electrode distance 3cm，solution concentration of Anhydrous sodium was 0.02 mol / L， Methylene blue solution concentration 5mg / L， Three-dimensional photoelectric catalysis experiment of methylene blue decolorization rate was best 51.9%.

Key words： Three - dimensional electrode； Photoelectrocatalysis； Particle electrode

TiO2光催化技術作為一種新興高級氧化技術，以其無二次污染，方法簡便等重多優點引起了國內外學者的持續關注。但TiO2的光生載流子復合率較高，嚴重影響了光催化技術的廣泛應用[1， 2]。為了提高量子分離效率，研究人員做了大量的工作，經過不斷努力，研究人員發現采用光電聯用技術可以顯著提高反應過程的量子效率，這種方法是將TiO2光催化劑固定在導電基體上，作為反應電極，在光照射催化劑電極的同時施加一定大小的偏電壓，在電場的作用下，光生電子和空穴迅速轉移，從而抑制了光生載流子的簡單復合。三維電極又被稱為床電極或者粒子電極[3， 4]，是在傳統的二維電極的電解槽中裝填粒狀的導電顆粒作為工作電極，成為新的一極，從而構成的一種新型的電化學反應器。與簡單的二維電解體系相比，三維電極可提供的反應面積更大，粒子電極顆粒之間的距離小，使電解效率大大提高。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑和儀器

無水乙醇、濃鹽酸、無水硫酸鈉、鈦酸四正丁酯、亞甲基藍、氫氧化鈉、硝酸銀、尿素等均為分析純。晶體管恒電位儀HDV-7C（福建暢聯電子有限公司），可見分光光度計721E（上海清華科技儀器有限公司），雙頻數控超聲清洗器KQ-100VDE（昆山超聲儀器有限公司），程控箱式電爐SXL-1208（杭州卓馳儀器有限公司），電熱鼓風干燥箱101-2AB（北京市永光明醫療儀器廠）。

1.2 蛭石負載TiO2粒子的制備

采用溶膠—凝膠法制備溶膠[5]，然后將蛭石均勻平鋪在培養皿中，將制備的透明液體緩慢均勻的倒進培養皿中，輕晃培養皿使之混合均勻，超聲波震蕩60 min，然后自然干燥48 h，500 ℃煅燒后，制得負載TiO2的蛭石粒子（TiO2/蛭石）。

1.3 鈦網主電極（鈦網光電極）的制備方法

按照文獻[6]制備成涂液，在預處理過的鈦片上涂覆制備好的涂液，100 ℃下干燥15 min，（再涂覆，在烘干，記為第二層，以此類推），一定溫度下，500℃經馬弗爐煅燒120 min，得到預制備的鈦網光電極。

1.4 三維電極光電催化實驗方法

以150 mL的小燒杯作為三維光電體系的反應容器。以亞甲基藍作為模擬目標染料廢水，以溶膠凝膠法制備的鈦網光電極為主陽極，相同尺寸的石墨板作為實驗體系的主陰極，填充TiO2 /蛭石和石墨復合粒子電極構建三維光電體系。一定濃度的Na2SO4溶液做為實驗體系中的電解質，普通的紫外燈（20 W）作為實驗體系反應光源，以HDV-7C晶體管恒電位儀為實驗體系的主電極提供恒定的外電壓，反應60 min，使用721型可見分光光度計在664 nm處測定反應前后亞甲基藍溶液的吸光度值的變化，來計算三維光電體系反應過程中亞甲基藍模擬染料的脫色效果。

2 結果與討論

2.1 負載型TIO2/陶瓷粒子的表征

圖1為負載TiO2前后蛭石粒子的SEM圖，圖1a為負載TiO2前的蛭石粒子SEM表面形貌，圖1b為負載后的蛭石粒子SEM表面形貌，從兩張圖片中可以清晰地看出，圖1a要比圖1b表面更加光滑，即負載前的蛭石粒子表面更光滑，負載TiO2后的蛭石粒子表面凹凸不平，有明顯的沉積物，即溶膠凝膠法制備的TiO2已經成功的粘附在蛭石粒子的表面，成功制得的蛭石粒子具有光催化性能。

圖2 為二氧化鈦光電極和TiO2/蛭石粒子XRD分析圖，由圖2可知，無論是通過溶膠凝膠法制備的鈦網光電極還是TiO2/蛭石粒子的XRD表征圖里都有明顯的TiO2存在，并且TiO2的峰比較明顯，此外鈦網光電極自身還存在大量的Ti峰，說明選用的鈦網原材料本身的Ti含量比較高，導電性能較好。

2.2 外加電壓對三維電極光電催化的的影響

按照1.4實驗方法，調節電壓0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 V，研究外加電壓對光電催化反應溶液中模擬染料亞甲基藍脫色效率的影響，光電催化60 min的實驗結果如圖3所示。從圖3可以看出，外接電壓對亞甲基藍的脫色效率有顯著的影響，隨著外接電壓的增大模擬染料的脫色效率先是增大，

圖1 負載TiO2前后蛭石粒子的SEM圖

Fig.1 SEM images of vermiculite particles before and after supporting TiO2

圖2 二氧化鈦光電極和TiO2/蛭石粒子XRD分析圖

Fig.2 Titania photoelectrode and TiO2 / vermiculite particles XRD analysis chart

然后再有下降，當外接電壓達到2.0 V時，三維電極光電體系對反應溶液的脫色效果最好。這是因為，在光電極上表面，當外加電壓較低時，隨著外接電壓的升高，抑制了電子和空穴的簡單復合，增加了羥基自由基的數量，促進了光生載流子的分離，但

圖3 外加電壓的影響

Fig.3 The influence of applied voltage

是由于反應過程中反應光強不變，光生電子的數量是一定的，不會發生改變，所以當外加電壓達到某一臨界值時，形成飽和光電流，光生電子和空穴已經達到最佳的分離效果，因此，當光電流已經達到飽和狀態時，即便是繼續的增加外電壓，對反應速率也不會有很大的提升，相反的，隨著電壓的升高，反應體系中副反應速率增加的更快，使得光電流效率反而下降，進而降低了光電催化的活性[7]。另一方面，在三維光電體系中，隨著電壓的增大，粒子電極中被極化的粒子隨之增加，有效的電極面積增大，從而使整個三維電極光電催化體系的復極化程度增大，污染物更加溶液在電極表面發生電化學反應，提高反應了速率，但是當電壓過大時，粒子電極表面發生副反應加劇，而且更容易產生短路電流，進而會影響體系的反應速率，因此，本實驗選用電壓為2.0 V。

2.3 粒子配比對三維電極光電催化的的影響

在TiO2/蛭石與石墨總質量1 g保持不變的前提下，選取不同粒子組合，采用2.2實驗所確定的反應條件，按照1.4實驗方法，光電催化60 min的實驗結果如圖4所示。

圖4 粒子配比的影響

Fig.4 The ratio of the particle impact

由圖4可知，當取0.2 g TiO2/蛭石和0.8 g 石墨粒子構成粒子電極時，光電催化體系對反應溶液的脫色效果最好。石墨粒子主要在反應體系中起導電的作用，一方面通電后石墨粒子的極化作用，增加了反應的電極有效面積，促進了反應的發生，另一方面，TiO2/蛭石和石墨粒子混合后，是反應體系的復極化更加穩定[8]。TiO2/蛭石在實驗中主要充當著光催化劑的角色，主要是進行光催化反應，本身不存在導電性，由于和石墨粒子的混合，使得電子更加方便快速的與TiO2/蛭石粒子接觸，抑制光生電子和空穴的簡單復合，提高了三維電極體系的光電催化性能，但過多的TiO2/蛭石會影響石墨的復極化效果，所以實驗最佳組合形式為0.2 g TiO2/蛭石和0.8 g石墨。

2.4 電解質濃度對三維電極光電催化的的影響

在實驗反應過程中，三維電極反應體系中電解質溶液的濃度主要是影響反應溶液的電導率，進而對反應溶液中模擬染料亞甲基藍的脫色效果產生明顯的影響，因此在三維電極光電體系反應溶液中，電解質濃度的合理選擇，對實驗的結果有著一定的影響。按照1.4實驗方法，取2.3實驗條件，改變Na2SO4電解質溶液濃度，光電催化60 min的實驗結果如圖5所示。

圖5 電解質濃度的影響

Fig.5 Impact of electrolyte concentration

由圖5可以看出，反應過程中，亞甲基藍降解率隨電解質濃度的變化而改變的現象較為明顯，當電解質濃度較低時，反應溶液的脫色效率隨著溶液中電解質濃度的增加而隨之升高，當電解質濃度為0.02 mol/L時反應溶液的脫色效果最佳，繼續加大反應溶液中電解質的濃度會導致亞甲基藍脫色效果下降。由于在三維光電體系中，支持電解質的不同所產生的副產物不同，進而發硬速度不同，本實驗采用的電解質溶液為無水硫酸鈉溶液，當電解質濃度較低時，溶液的導電性較差，電流較小，反應速率較低，隨著溶液中電解質濃度的升高，反應體系中溶液的導電力變強，電荷遷移加速，電流變大，電壓效率提高，電子捕獲空穴的能力變強，光電催化性能變強。但當電解質濃度過高時，溶液中存在大量的陰離子，這些陰離子會在電場引力的作用下向主陽極反向移動，逐漸聚集在陽極表面，與光生電子和空穴發生反應，還會阻礙羥基自由基和過氧化氫的電極反應，加劇了反應體系的副反應，降低了電流效率，影響反應速率[9]，所以，本實驗體系選用的最佳電解質濃度為0.02 mol/L。

2.5 降解方式種類對亞甲基藍降解率的影響

按照2.4實驗得出的條件進行三維光電催化實驗，對比單獨光照、二維電解實驗，光電催化60 min，降解方式對亞甲基藍降解實驗結果如圖6所示。

圖6 降解方式的影響

Fig.6 The influence of degradation methods

由圖6可以看出，光催化、二維電解和三維光電協同作用降解亞甲基藍溶液的降解情況。從圖上可知，經過60 min的反應后發現，三維光電催化對亞甲基藍脫色率為51.9%，二維電解實驗對亞甲基藍脫色率為25.4%，單純的光催化實驗對亞甲基藍脫色率為20.7%，三維光電催化的效果要好于單獨的光催化或二維電解。這是由于單純的光催化降解實驗，主要起作用的為TiO2/蛭石粒子，由于TiO2/蛭石粒子被平鋪在燒杯底部，能夠發生光催化反應的TiO2量有限，所以最終的亞甲基藍脫色率比較低，而簡單的二維電解只能夠提供簡單的電解方式降解亞甲基藍溶液，所以，亞甲基藍的脫色率往往都比較低。而三維光電實驗由于其光催化與電催化的連用，在外接電壓的作用下，抑制了光生電子與空穴的簡單復合，提升了光催化性能，同時由于TiO2/蛭石和石墨粒子平鋪在溶液底部，大大增加了電極的有效面積，促進了電催化的性能，光催化和電催化的協同作用更能促進降解效率，使得三維電極光電催化的脫色效果比單獨的光催化和電解效果都要好。

3 結 論

采用溶膠—凝膠法制備TiO2 /蛭石，以TiO2/蛭石與石墨組成粒子電極，以溶膠凝膠法制備的鈦網光電極為主電極，亞甲基藍溶液為目標降解物，無水硫酸鈉溶液為支持電解質，20 W為紫外燈光源，研究了三維光電催化體系實驗條件，當二氧化鈦光電極的煅燒溫度為550 ℃，TiO2/蛭石粒子的煅燒溫度500 ℃，石墨0.8 g， TiO2/蛭石0.2 g，外接電壓2 V，電極距離3 cm，無水硫酸鈉溶液濃度0.02 mol/L，亞甲基藍溶液濃度5 mg/L，pH=10。三維光電催化實驗對亞甲基藍的脫色率為51.9%，高于二維電解實驗對亞甲基藍脫色率為25.4%，單純的光催化實驗對亞甲基藍脫色率為20.7%，并且高于單獨的光催化與二維電解二者降解效率之和。

參考文獻：

[1]馮艷文，梁金生，等. 納米TiO2光電催化降解工業廢水技術研究進展[J].工業水處理， 2003， 23（10）： 5-8.

[2]劉鴻， 冷文華， 吳合進，等. 光催化降解磺基水楊酸的研究[J]. 催化學報， 2002，1（3）： 209-212.

[3]陳芳艷，王春玲. 三維電極電化學氧化法深度處理DOP生產廢水的研究[J]. 環境工程學報，2012， 6（2）： 540-544.

[4]安太成，何春，朱錫海， 等.三維電極電助光催化降解直接湖藍水溶液的研究[J].催化學報，2001， 22（2）：193-197.

[5]施中華. 三維粒子電極光電催化性能的研究[D]. 沈陽理工大學， 2011： 13-15.

[6]孫福佳. 三維粒子電極光電催化性能的研究[D]. 沈陽理工大學， 2015： 1-2.

[7]冷文華，張昭，成少安，等. 光電催化降解苯胺的研究—外加電壓的影響[J]. 環境科學學報，2001， 21（6）：710-714.

[8]李翠丹，朱勇. 三維電極法對印染廢水脫色的實驗研究[J]. 環境科學與管理，2010， 35（8）：53-55.

[9]王婧，孟慶函，曹兵. 三維電極電催化氧化處理鄰氯苯胺廢水的研究[J]. 環境科學與技術，2012， 35（7）：86-89.

武漢乙烯運用國產催化劑試產成功

在日前召開的武漢乙烯國產齊格勒催化劑替代應用鑒定評審會上，由北化院研制的齊格勒催化劑通過了武漢乙烯聚烯烴分部與技術部門的應用評審。

武漢乙烯催化劑一直依賴于進口，價格高、訂貨周期長、運輸風險高等弊端凸顯。7月16日，武漢乙烯聚烯烴分部對國產齊格勒催化劑進行試用，效果良好。同時，國產催化劑所生產的高密度聚乙烯中超細粉含量和低聚物生成量大幅降低，擠壓造粒單元氣味明顯變小，粒料白度更優，經濟效益顯著。