Al2O3泡沫陶瓷表面負載四鈦酸鉀晶須及其光催化性能

劉斌智，滕冰潔，謝　力，吉曉莉

(武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070)

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Al2O3泡沫陶瓷表面負載四鈦酸鉀晶須及其光催化性能

劉斌智，滕冰潔，謝力，吉曉莉

(武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070)

采用掛漿工藝將K2Ti4O9晶須均勻負載到Al2O3泡沫陶瓷上制備了光催化劑，考察了漿料固含量、掛漿次數對掛漿效果的影響，比較了負載前后光催化劑對亞甲基藍的降解率，采用SEM分析了負載K2Ti4O9晶須的Al2O3泡沫陶瓷的表面及斷面形貌，采用XRD進行了成分分析。結果表明： K2Ti4O9漿料的固含量為30%，經2次掛漿處理的Al2O3泡沫陶瓷坯體最好，此時K2Ti4O9晶須均勻負載于Al2O3泡沫陶瓷上，且無堵孔，負載后光催化效率得到了很大的提高，亞甲基藍的降解率可達94.34%。

四鈦酸鉀晶須；Al2O3泡沫陶瓷；亞甲基藍；光催化降解

光催化氧化技術是近年發展起來的一種環境友好新技術，以其高效、二次污染少、環境友好等優點，在難降解有機物的處理和深度凈水領域發揮著越來越重要的作用[1-3]。

四鈦酸鉀(K2Ti4O9)是一種重要的層狀結構半導體光催化劑，具有無毒、化學穩定性好以及光照下高溫穩定等特點。目前，K2Ti4O9作為光催化材料，借助太陽能處理有機污染物的研究十分活躍，但在使用過程中，主要采用粉末態投加方式，存在無法回收、后續處理復雜、運行費用高等問題。為了解決以上問題，目前研究較多的是將光催化劑與磁體材料相結合，光催化反應結束后利用外磁場將光催化劑分離出來。Chung等[4]通過濺射高溫水解法制備出以TiO2-SiO2為殼、鐵酸鎳為核的光催化劑，在光催化劑性能提高的同時實現了耐水洗且易分離。另一途徑就是將光催化劑負載于載體表面以解決光催化劑易流失、難分離的問題[5-7]。

泡沫陶瓷由于其三維立體網絡骨架和相互連通的氣孔結構，以及良好的吸附性、透氣性、耐腐蝕性、環境相容性和生物相容性，是一種合適的光催化劑載體[8-10]。作者以Al2O3泡沫陶瓷為載體，采用掛漿工藝制備負載K2Ti4O9晶須的光催化劑，并考察負載型光催化劑對亞甲基藍的降解效果。

1　實驗

1.1材料與試劑

K2Ti4O9晶須，宜興杰能化工原料有限公司；Al2O3泡沫陶瓷，鞍山鞍海鐵路備件制造有限公司。

亞甲基藍、四甲基氫氧化銨，國藥集團化學試劑有限公司；濃鹽酸，信陽化學試劑廠；丙酮，天津恒發化學試劑有限公司。

1.2負載型光催化劑的制備

將Al2O3泡沫陶瓷浸在5%的鹽酸溶液中，1h后用去離子水沖凈，浸在丙酮溶液中1h以除去表面的有機物，再用去離子水在水浴超聲清洗儀中清洗干凈，并置于電熱鼓風干燥箱中干燥，待用。

稱取一定量的K2Ti4O9晶須粉末，加入去離子水配成一定固含量的漿料，調節pH值為10～11，加入0.9%的四甲基氫氧化銨分散劑，攪拌均勻，備用。

將預處理過的Al2O3泡沫陶瓷浸漬在配制好的K2Ti4O9漿料中15min，吹去表面多余漿料，將樣品放置在100 ℃電熱鼓風干燥箱中15min，取出進行下一次浸漿，再干燥；多次浸漿處理后，將樣品置于高溫電阻爐中在600 ℃下燒結1h，隨爐冷卻。

又如平平聲字“花”的唱調（《長生殿·定情》【綿搭絮】“百寶翠花攢”，736）。基于平平聲字腔的基本音勢是一平到底的單音，其中符合這個音勢的音調只有一個兩拍的，由此可認為，這個即運用依字行腔法創作而來的“花”的字腔。其后的樂匯之音樂材料有兩種：其中的來自于本唱調音階的級音，此后的是昆曲南曲的主調，故應屬過腔。其是以級音和本劇種主調為音樂材料，運用過腔法創作而來。

1.3光催化性能的評價

以亞甲基藍為降解目的物，表征所制備的負載型K2Ti4O9光催化劑的催化性能。該光催化反應過程在無其它光源干擾的暗箱中進行，所用光源為紫外燈。將一定量的K2Ti4O9晶須、負載型K2Ti4O9光催化劑分別倒入裝有40 mL亞甲基藍溶液(25 mg·L-1)的燒杯中，紫外燈固定在距離燒杯15 cm處對反應液進行光照，不斷攪拌，2 h后取出，離心移取上層清液，在紫外可見分光光度計下測定664 nm處吸光度，按下式計算亞甲基藍的降解率D：

式中：ε0、ε1分別為光照前后溶液的吸光度。

1.4分析與表征

采用VHX-600K型超景深三維顯微鏡觀測掛漿前后的Al2O3泡沫陶瓷表面形貌；采用UV-1601 型紫外可見分光光度計測定樣品溶液的吸光度；采用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡分析樣品的微觀形貌；采用D/MAX-RB型轉靶X-射線衍射儀對樣品進行物相分析。

2　結果與討論

2.1漿料固含量的影響

本實驗的浸漿量以漿料的固含量表示。分別采用固含量為10%、20%、30%、40%的漿料對Al2O3泡沫陶瓷進行浸漿處理，觀察不同固含量的漿料浸漿處理后Al2O3泡沫陶瓷的表面形貌，結果見圖1。

a.原片　b.10%固含量　c.20%固含量　d.30%固含量　e.40%固含量

從圖1可以看出，Al2O3泡沫陶瓷呈三維網狀結構，孔筋表面非常光滑(圖1a)，能為K2Ti4O9晶須的沉積提供較大的比表面積和支撐空間，但表面能夠承受的浸漿量是有限的，過小的浸漿量會造成陶瓷孔筋上沉積的K2Ti4O9晶須量不足，過大的浸漿量又會堵塞陶瓷孔道，減小K2Ti4O9與反應物的接觸面積，兩者都會影響K2Ti4O9的光催化效果。漿料固含量為10%時，陶瓷表面掛漿厚度較薄(圖1b)；漿料固含量為20%時，陶瓷表面掛漿厚度稍有增加(圖1c)，但沒有完全將陶瓷的表面覆蓋；漿料固含量為30%時，陶瓷的孔筋面被漿料完全覆蓋，且厚薄較均勻、無明顯的堵孔(圖1d)；漿料固含量為40%時，陶瓷的孔筋上負載量過多，開始出現堵孔現象(圖1e)。所以，選擇固含量為30%的漿料進行浸漿處理。

2.2掛漿次數的選擇

一定固含量的K2Ti4O9漿料掛漿在Al2O3泡沫陶瓷表面時，K2Ti4O9以顆粒狀吸附在Al2O3泡沫陶瓷表面，粒子在載體表面的堆積是成梯形的，因此，需要經過多次掛漿處理，使載體表面的堆積層逐漸變得致密，增大表面浸漿層的強度和表面積。采用固含量為30%的漿料對Al2O3泡沫陶瓷進行第1次浸漿處理，然后以固含量為15%的具有一定黏度的K2Ti4O9漿料分2次掛漿于Al2O3泡沫陶瓷表面，觀察Al2O3泡沫陶瓷的表面形貌，結果見圖2。

a.1次掛漿　b.2次掛漿　c.3次掛漿

由圖2可知，增加掛漿次數，可以增大K2Ti4O9晶須的致密度，但隨著掛漿次數的增加，泡沫陶瓷筋變厚，孔徑變小；第2次掛漿處理后，泡沫陶瓷的孔筋上形成了均勻的K2Ti4O9包覆層，經3次掛漿處理形成的包覆層過厚，減小了比表面積，影響光催化效率。因此，選擇掛漿次數為2次。

2.3浸漿工藝所制備的樣品

圖3為浸漿處理前的樣品和浸漿處理2次并經600 ℃燒結后的Al2O3泡沫陶瓷的表面形貌。

a.掛漿前　b.掛漿后

從圖3可知，掛漿前樣品的表面呈米白色(圖3a)，具有相互貫穿的三維網狀結構，是很好的負載基體。掛漿后樣品表面呈白色(圖3b)，K2Ti4O9包覆層均勻地負載在Al2O3泡沫陶瓷表面，保持了基體的三維網狀結構，沒有明顯的堵孔現象發生，有利于增大K2Ti4O9光催化劑的比表面積，促進光催化反應的進行。2.4負載結構對K2Ti4O9晶須的光催化性能的影響

在相同條件下，分別用K2Ti4O9晶須、負載K2Ti4O9晶須的Al2O3泡沫陶瓷進行亞甲基藍光催化降解實驗并測定其吸光度，結果如圖4所示。

圖4　原粉與負載型Al2O3泡沫陶瓷催化降解

從圖4可知，亞甲基藍原液在664 nm處的吸光度為2.5614,K2Ti4O9晶須、負載K2Ti4O9晶須的Al2O3泡沫陶瓷光催化降解亞甲基藍2 h后的溶液在664 nm處的吸光度分別為0.9226、0.1449，計算得它們對亞甲基藍的降解率分別為63.98%、94.34%。將K2Ti4O9晶須負載于Al2O3泡沫陶瓷上后，相較于粉末狀的晶須，其對亞甲基藍的降解效率明顯提高。這是因為，粉末狀的K2Ti4O9晶須容易堆積在一起，催化劑與亞甲基藍分子的接觸面積小，影響其光催化效果；K2Ti4O9晶須負載化后給光催化提供了巨大的比表面積，增大了催化劑與亞甲基藍的接觸面積，加快了兩者之間的反應速率，從而提高光催化降解效率。

2.5SEM分析

圖5為負載K2Ti4O9晶須的Al2O3泡沫陶瓷的斷面形貌。

圖5　負載K2Ti4O9晶須的Al2O3泡沫陶瓷的斷面形貌

由圖5可以看出， Al2O3泡沫陶瓷表面均勻負載了一層K2Ti4O9晶須，晶須厚度約為25 μm，Al2O3泡沫陶瓷與負載的K2Ti4O9晶須之間存在明顯的分層。

2.6XRD分析

圖6是負載K2Ti4O9晶須的Al2O3泡沫陶瓷的XRD圖譜。

圖6　負載K2Ti4O9晶須的Al2O3泡沫陶瓷的XRD圖譜

由圖6可知，主要物相Al2O3和SiO2為泡沫陶瓷本身成分，而K2Ti4O9晶須只是負載在Al2O3泡沫陶瓷表面，所以其含量較低。

3　結論

以Al2O3泡沫陶瓷為載體，表面負載K2Ti4O9晶須制備了具有良好催化活性和穩定性的負載型K2Ti4O9光催化材料。結果表明，以固含量為30%的K2Ti4O9漿料掛漿于Al2O3泡沫陶瓷表面，再以固含量為15%的K2Ti4O9漿料補漿1次，Al2O3泡沫陶瓷的孔筋上負載了一層厚度均勻的K2Ti4O9晶須，其對亞甲基藍的降解率達到了94.34%，高于相同量的粉狀K2Ti4O9晶須的降解率(63.98%)，光催化效率明顯提高。

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Alumina Foam Ceramic Loaded with Potassium Tetratitanate Whiskers and its Photocatalytic Properties

LIU Bin-zhi，TENG Bing-jie，XIE Li，JI Xiao-li

(SchoolofMaterialsandEngineering,WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430070，China)

ThephotocatalystofaluminafoamceramicwithK2Ti4O9whiskersuniformlyloadedonthesurfacewaspreparedbyacentrifugingprocess.Theeffectsofslurrysolidcontentsandcoatingtimesoncoatingeffectwerestudied.Thedegradationratesformethylenebluebytheloadedandunloadedphotocatalystswerecompared.ThesurfaceandfracturesurfaceofthealuminafoamceramicloadedwithK2Ti4O9whiskerswerecharacterizedbySEMandtheirchemicalcomponentswereanalyzedbyXRD.Theresultsshowedthat，thealuminafoamceramicbodywasthebestwhencoatedtwiceandthesolidcontentofK2Ti4O9slurrywas30%.Atthispoint,theK2Ti4O9whiskerswereuniformlyloadedonthealuminafoamceramicwithoutpluggingholes.Thephotocatalyticefficiencywasgreatlyimprovedafterloading.Thedegradationrateformethylenebluereached94.34%.

potassiumtetratitanatewhisker；aluminafoamceramic；methyleneblue；photocatalyticdegradation

國家級大學生創新創業訓練計劃(20151049701011)

2016-07-07

劉斌智(1995-)，男，江西于都人，研究方向：無機非金屬材料；通訊作者：吉曉莉，副教授，E-mail：jxl@whut.edu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.09.010

TB 321

A

1672-5425(2016)09-0042-04

劉斌智，滕冰潔，謝力，等.Al2O3泡沫陶瓷表面負載四鈦酸鉀晶須及其光催化性能表征[J].化學與生物工程，2016，33(9)：42-45.