聚苯胺復(fù)合二氧化鈦光催化劑的制備及光催化性能研究

明 皓，范文玉，孔俊嘉，朱孟飛

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聚苯胺復(fù)合二氧化鈦光催化劑的制備及光催化性能研究

明 皓1，范文玉2，孔俊嘉1，朱孟飛1

（1. 沈陽科技學(xué)院，遼寧 沈陽 110167； 2. 沈陽化工大學(xué)，遼寧 沈陽 110142）

通過化學(xué)氧化聚合法制備了不同反應(yīng)條件下的PANI/TiO2復(fù)合材料。利用正交試驗(yàn)驗(yàn)證了苯胺與過硫酸銨摩爾比、反應(yīng)溫度、TiO2用量及鹽酸用量對(duì)光催化劑性能的影響。以KBF染料模擬廢水為研究對(duì)象，考察了PANI/TiO2復(fù)合材料在可見光條件下降解水中有機(jī)物的效果。結(jié)果表明，合成反應(yīng)的最優(yōu)條件是，苯胺0.3 g、二氧化鈦1.5 g、鹽酸250 mL（1.2 mol/L）、反應(yīng)溫度5℃、過硫酸銨1.47 g、攪拌時(shí)間140 min。聚苯胺對(duì)納米TiO2光催化劑的改性，顯著改善了催化劑的光催化性能，可有效降解KBF染料。

反應(yīng)條件； PANI/TiO2；光催化；染料廢水

TiO2作為性能優(yōu)良的光催化劑被廣泛應(yīng)用于各環(huán)保領(lǐng)域，在處理染料廢水和室內(nèi)甲醛時(shí)應(yīng)用較多，也是近年來光催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。TiO2具有無毒、催化活性高、穩(wěn)定性好、氧化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在著量子效率低、光吸收波長窄、太陽能利用率低等缺點(diǎn)，很大程度上制約了TiO2在可見光條件下的應(yīng)用[2]。人們通常采用離子摻雜、半導(dǎo)體復(fù)合等方法來拓寬TiO2光催化材料的光譜響應(yīng)范圍[3]。

聚苯胺（PANI）可以改性納米TiO2，提高其可見光利用率，是目前研究最多的一類導(dǎo)電高分子材料[4]。將聚苯胺負(fù)載在納米TiO2光催化劑的表面，可擴(kuò)展納米TiO2光催化劑在可見光區(qū)的吸收范圍，有效提高光催化劑的光催化活性[5]。

染料廢水屬難處理的工業(yè)廢水，傳統(tǒng)生物方法在實(shí)際應(yīng)用中效果并不理想，而光催化降解技術(shù)在實(shí)踐中應(yīng)用較少，因此，有較大的發(fā)展空間[6]。本實(shí)驗(yàn)采用正交試驗(yàn)等手段，通過化學(xué)氧化聚合法制備了不同反應(yīng)條件的PANI/TiO2復(fù)合材料，并對(duì)KBF染料模擬的染料廢水進(jìn)行處理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

苯胺（天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，經(jīng)二次減壓蒸餾）；鹽酸；過硫酸銨；一定濃度的KBF染料溶液。

UV1201分光光度計(jì)（日本島津）；D8 Advance X 射線衍射儀（德國布魯克公司）；JSM-6360LV高低真空掃描電子顯微鏡（日本電子株式會(huì)社）。

1.2 PANI/TiO2粉體的制備

將一定量的苯胺，鹽酸溶液(1.2 mol/L)和TiO2粉體在一定溫度下充分?jǐn)嚢?。將一定質(zhì)量的氧化劑過硫酸銨溶于鹽酸溶液中，對(duì)上述體系緩慢滴定，在酸性環(huán)境下使苯胺發(fā)生聚合反應(yīng)。滴定結(jié)束后繼續(xù)攪拌4 h，使聚合反應(yīng)均勻徹底。反應(yīng)結(jié)束后，將樣品置于陰涼處12 h，依次用鹽酸溶液和蒸餾水洗滌、離心、烘干并研磨到無大顆粒，即制得PANI/TiO2粉體[7]。

1.3 光催化降解實(shí)驗(yàn)

在充足的可見光條件下，將一定濃度的KBF染料溶液置于光催化降解裝置中，加入一定量的光催化劑樣品并快速攪拌使粉體與染料溶液充分接觸，每隔一定時(shí)間取出一定量的染料溶液經(jīng)離心后測(cè)其吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件對(duì)光催化降解的影響

為了得出反應(yīng)條件對(duì)光催化降解的影響，設(shè)計(jì)4因素、4水平的正交試驗(yàn)，綜合考量摻雜酸（鹽酸）用量、反應(yīng)溫度、氧化劑（過硫酸銨）用量及TiO2用量等因素對(duì)復(fù)合材料光催化性能的影響。表1為因素水平表，表2為正交試驗(yàn)結(jié)果。

表1 因素水平表

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

通過方差極差分析和效應(yīng)曲線分析，對(duì)光催化降解速率影響的因素依次為二氧化鈦的量、鹽酸的量、反應(yīng)溫度和過硫酸銨的量（苯胺與過硫酸銨的摩爾比）。即苯胺0.3 g、二氧化鈦1.5 g、鹽酸250 mL、反應(yīng)溫度5 ℃、過硫酸銨1.47 g、攪拌時(shí)間140 min時(shí)，制備的光催化劑催化效果最好。

2.2 催化劑比表面積與光催化活性的關(guān)系

正交試驗(yàn)中各反應(yīng)條件下合成的催化劑比表面積如圖1所示，各催化劑對(duì)染料廢水的光催化降解速率如圖2所示。

由圖1和圖2可知，樣品的多點(diǎn)BET比表面積變化與光催化降解速率變化趨勢(shì)基本一致，因此可以得出，樣品的比表面積越大，越有利于催化反應(yīng)的進(jìn)行，光催化降解速率就越大[8]。

2.3 催化劑的SEM分析

最優(yōu)條件下合成的PANI/TiO2的SEM 照片如圖3所示。

圖1 樣品的多點(diǎn)BET比表面積變化

圖2 樣品的光催化降解速率變化

圖3 光催化劑的SEM形貌

摻雜后的樣品因?yàn)樵谒嵝越橘|(zhì)中發(fā)生了苯胺沉淀聚合反應(yīng)而具有較規(guī)則的層狀結(jié)構(gòu)，且表面沉淀了大量球形顆粒。聚合反應(yīng)可以拓寬催化劑的光譜響應(yīng)范圍，提高光量子效率，進(jìn)而提高光催化降解性能。

2.4 光催化劑的XRD分析

圖4為光催化劑的XRD譜圖。PANI/TiO2衍射角與TiO2的特征衍射峰值相差不大，衍射峰尖銳明顯，兩者譜圖樣式趨勢(shì)基本一致，摻雜后未出現(xiàn)PANI衍射峰。說明在反應(yīng)過程中，TiO2的晶型沒有發(fā)生改變，摻雜聚苯胺并沒有改變TiO2的晶型結(jié)構(gòu)，樣品具有較好的結(jié)晶度。

圖4 光催化劑的XRD譜圖

3 結(jié) 論

（1）在不同反應(yīng)條件下，利用正交試驗(yàn)等手段，通過化學(xué)氧化聚合法制備了一系列PANI/TiO2復(fù)合材料，合成反應(yīng)的最優(yōu)條件是:苯胺0.3 g、二氧化鈦1.5 g、鹽酸250 mL（1.2 mol/L）、反應(yīng)溫度5 ℃、過硫酸銨1.47 g、攪拌時(shí)間140 min。

（2）以TiO2為基體，經(jīng)過聚苯胺的摻雜復(fù)合和改性，在一定程度上拓展了TiO2光催化劑在可見光區(qū)的吸收范圍。

（3）復(fù)合材料比表面積較大，具有良好的層狀結(jié)構(gòu)，且有較好的結(jié)晶度，可有效降解KBF模擬的染料廢水。

［1］趙歡．介孔TiO2復(fù)合光催化劑的制備及光催化降解染料廢水的研究[D]. 陜西: 長安大學(xué)，2013，6．

［2］李曉斌．納米TiO2改性及光催化降解甲醛的研究[D]. 陜西: 西北農(nóng)林科技大學(xué)，2006，6．

［3］陳鵬，胡相紅，陳超，等．負(fù)載型TiO2光催化劑研究進(jìn)展[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用，2013，28（4）：117-124．

［4］賀舉．導(dǎo)電高分子聚苯胺的合成及其應(yīng)用[J]. 科技信息: 科學(xué)教研，2008（18）：393-394．

［5］范文玉，明皓，陳婉菇，等．不同酸摻雜的聚苯胺復(fù)合二氧化鈦光催化劑的研究[J]. 化學(xué)世界，2015，56（3）：150-153．

［6］陳文華，李剛，許方程，等．染料廢水污染現(xiàn)狀及處理方法研究進(jìn)展[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，1（2）：1-5．

［7］范文玉，明皓，陳婉茹，等．Fe3+對(duì)聚苯胺復(fù)合二氧化鈦光催化性能影響的研究[J]. 沈陽化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28（3）：234-238．

［8］范文玉，張冬冬，李娜，等．水蒸氣-水解法制備TiO2光催化劑的研究[J]. 沈陽化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，24（2）：130-134．

Preparation and Photocatalytic Performance of PANI /TiO2Composite Photocatalyst

1,2,1,1

（1. Shenyang Institute of Science and Technology, Liaoning Shenyang 110167，China； 2. Shenyang University of Chemical Technology, Liaoning Shenyang 110142，China）

PANI/TiO2composites were prepared by chemical oxidation polymerization under different reaction conditions. The effect of molar ratio of aniline and ammonium persulfate, reaction temperature, amount of TiO2and amount of hydrochloric acid on the performance of the photocatalyst was studied by orthogonal test. Taking KBFsimulated dye wastewater as research object, the organic matter degradation in aqueous solution of PANI/TiO2composites under visible light was investigated. The results show that the optimum conditions of the synthesis reaction are as follows: aniline 0.3 g, TiO21.5 g, HCl 250 mL, reaction temperature 5℃, ammonium persulfate 1.47 g, stirring time 140 min. The modification of nanometer TiO2photocatalyst with polyaniline can improve the photocatalytic activity, and modified nanometer TiO2photocatalyst can degrade KBF effectively.

reaction condition; PANI/TiO2; photocatalysis; dye wastewater

2017-03-22

明皓（1988-），男，助教，碩士，遼寧省錦州市人，2014年畢業(yè)于沈陽化工大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)，研究方向：催化劑、環(huán)保涂料、土壤修復(fù)技術(shù)等。

O 643.36

A

1004-0935（2017）05-0435-03