磁性TiO2納米晶體的制備及光催化性能分析

王濤

摘 ? 要：納米TiO2的光催化降解作用效率高，但存在回收困難的問(wèn)題。用超順磁性和耐腐蝕的鐵磁性微粒作為載體，制成磁性包覆型納米光催化劑既有普通懸浮光催化劑的高效性，又能通過(guò)磁性順利收集，克服了懸浮狀粉末回收困難的缺點(diǎn)。本文通過(guò)溶膠-凝膠方法將TiO2材料包覆在磁性粒子Fe3O4表面，制備在外界磁場(chǎng)下可被回收循環(huán)利用的光催化材料，并對(duì)材料光催化模擬性能進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：磁性TiO2納米材料 ?光催化反應(yīng) ?光度分析

中圖分類(lèi)號(hào)：O643.36 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（c）-0088-02

Abstract： The effect of nano TiO2 photocatalytic degradation efficiency is high， but the recovery is very difficult. With superparamagnetic iron magnetic particles and corrosion resistance as a carrier， we made of magnetic coating type nano photocatalyst. It not only has the efficiency of ordinary suspended photocatalyst， but also is collected easily through the magnetic， overcomes the difficulty of suspending TiO2 powder recovery. The TiO2 material is made in coating on the surface of Fe3O4 particles by sol gel method. It can be recycled ?in the external magnetic field， and analysis the properties of material photocatalytic simulation.

Key Words： Magnetic TiO2 nano materials; Photocatalytic reaction; Spectrophotometry

光催化技術(shù)可利用太陽(yáng)能降解有機(jī)物，無(wú)二次污染，反應(yīng)條件溫和，具有“節(jié)能”和“環(huán)保”雙重重要意義。TiO2作為一種半導(dǎo)體光催化劑[2]具有氧化能力強(qiáng)，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，然而TiO2的光響應(yīng)范圍較窄，并由于顆粒細(xì)微、不易沉淀而難回收，活性損失大，不利于催化劑的再生利用，從另一方面也降低了光催化效率。將納米TiO2和Fe3O4粉末通過(guò)制備磁性光催化劑，可利用磁性分離技術(shù)方便快捷地回收，使其既能保持較高的光催化活性，又能多次再生利用。

1 ?實(shí)驗(yàn)儀器試劑

1.1 儀器

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)、瑪瑙研體1個(gè)，廣口瓶2個(gè)，離心管2個(gè)，離心機(jī)1臺(tái)，電子天平1臺(tái)，超聲儀器1臺(tái)，燒杯1個(gè)、燒瓶1個(gè)，量筒1個(gè)，瓷坩堝滴液漏斗1個(gè)，烘箱1臺(tái)，馬弗爐1臺(tái)，光催化反應(yīng)裝置1套。

1.2 試劑

FeCl3-6H2O，F(xiàn)eCl2-4H2O，氨水（1.5mol/L），甲基橙溶液（15mg/L），蒸餾水，鈦酸丁酯，無(wú)水乙醇。

2 ?磁性TiO2的制備

2.1 Fe3O4的制備

稱(chēng)取0.85g FeCl3-6H2O與0.30g FeCl2-4H2O，用移液管向燒杯中轉(zhuǎn)移10mL蒸餾水，通入氮?dú)馇闆r下將稱(chēng)取的FeCl3-6H2O與FeCl2-4H2O加入燒杯中。置于磁力攪拌機(jī)上劇烈攪拌，量取200mL1.5mol/L氨水，緩慢加入燒杯中，溶液中迅速產(chǎn)生黑色沉淀。一定時(shí)間后關(guān)閉磁力攪拌機(jī)，將沉淀的上層液體去除，反復(fù)加入蒸餾水，用磁鐵在燒杯底部吸引，待沉淀完全后反復(fù)去除上層液體。待用AgNO3溶液檢測(cè)去除的上層液體中不含Cl-時(shí)，將沉淀放到烘箱里干燥。制備反應(yīng)方程式：FeCl3+FeCl2+NH3-H2O→Fe3O4+NH4Cl。

2.2 磁性TiO2的制備

安裝旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，稱(chēng)取0.5g上一步制備的Fe3O4，倒入50mL的圓底燒瓶中，用滴管和移液管分別量取2mL鈦酸丁酯和15mL無(wú)水乙醇，并依次加入圓底燒瓶中。將圓底燒瓶置于安裝好的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上室溫旋轉(zhuǎn)1h使溶液與固體顆粒均勻混合，然后加熱，溫度計(jì)控制溫度在80℃，除去乙醇（沸點(diǎn)為78.15℃）。然后進(jìn)行磁性分離，將包覆性樣品從樣品中分離出來(lái)，放到馬弗爐中，在300℃下煅燒1h，得到磁性TiO2。

3 ?磁性TiO2的光催化性能分析

3.1 甲基橙吸光度測(cè)量

稱(chēng)取0.050g制得催化劑放入100mL燒杯中，加入50mL蒸餾水，放置超聲儀器中，設(shè)置超聲時(shí)間為30min，使催化劑均勻分散。然后加入50mL配置的甲基橙溶液，加入磁轉(zhuǎn)子，在避光條件下用電磁攪拌器攪拌30min。用離心管取出少許溶液放入離心機(jī)中，以4000r/min速度離心30min，然后將離心液放到300W紫外線(xiàn)下照射（距離液面約10cm），每隔30min取一次樣，共進(jìn)行3h，依次記為溶液2、3、4、5、6、7。用紫外分光光度計(jì)波長(zhǎng)設(shè)置為463.5nm，以蒸餾水作為標(biāo)準(zhǔn)溶液，吸光度值設(shè)置為零，測(cè)量7個(gè)溶液的吸光度。吸光度如表1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

（1）甲基橙降解率計(jì)算。

η=（c0-c）/c0，其中c0為光照前降解液濃度，c為降解后的濃度。

由于甲基橙溶液濃度和吸光度呈線(xiàn)性關(guān)系，所以降解脫色率又可以由吸光度計(jì)算，即η=（A0-A）/A0，其中A0為光照前降解液吸光度，A為降解后吸光度。根據(jù)所測(cè)吸光度數(shù)值計(jì)算甲基橙的濃度、剩余率與降解率如表2所示。

（2）作圖。

以時(shí)間為橫坐標(biāo)，A/A1（A分別為7個(gè)溶液的吸光度，A1為溶液1的吸光度）為縱坐標(biāo)，即得甲基橙的剩余率（C/C0）曲線(xiàn)，剩余率曲線(xiàn)如圖1所示。

（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)推測(cè)此光催化反應(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)。

該反應(yīng)是個(gè)表面催化反應(yīng)，假設(shè)納米Ti02光催化降解甲基橙的反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)：即r=k1（a-x）;顯然，以濃度ln（a-x）對(duì)時(shí)間t作圖，時(shí)間t為橫坐標(biāo)，濃度ln（a-x）為縱坐標(biāo)。得圖為2。據(jù)圖2可知，在0～3h中時(shí)ln（a-x）～t關(guān)系成一直線(xiàn)，因此符合假設(shè)，即磁性納米TiO2光催化降解甲基橙的反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

TiO2光催化的實(shí)驗(yàn)的主要影響因素進(jìn)行分析：

（1）濃度的影響。

初始濃度越高脫色率越低，初始濃度與脫色率反相關(guān)是由于濃度越高光穿透溶液的能力越弱，能參與光催化氧化反應(yīng)的光子數(shù)量減少;另外，濃度越高，更多的溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)被吸附在催化劑表面導(dǎo)致活性部位減少。

（2）灼燒溫度的影響。

灼燒溫度的提高會(huì)導(dǎo)致催化活性的降低[3]，因?yàn)樽茻郎囟鹊奶岣撸瑫?huì)使二氧化鈦比表面積減小，表面吸附量明顯減少。另一方面，溫度升高到一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致二氧化鈦的晶型由銳鈦礦型向金紅石型轉(zhuǎn)變，使光催化率降低。

（3）催化劑加入量的影響。

研究者研究了催化劑加入量的影響[4]，結(jié)果表明：光催化劑用量較少時(shí)，光源產(chǎn)生的光子不能被完全轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，光子能量沒(méi)有得到充分利用;適當(dāng)?shù)脑黾哟呋瘎┯梅N，提高光催化降解效率;但催化劑用量增加到一定程度時(shí)，過(guò)多的粒子會(huì)產(chǎn)生光散射，使有效光強(qiáng)度較弱，從而影響光的吸收，因此二氧化鈦的投加量需在適宜的范圍內(nèi)。

4 ?結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)溶膠-凝膠法制備磁性納米TiO2光催化劑，方法簡(jiǎn)單，并且制備磁性TiO2的純度較高，避免了使用高溫高壓的復(fù)雜過(guò)程。利用紫外可見(jiàn)分光光度儀檢測(cè)磁性納米TiO2光催化劑的光催化性能，通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算和圖表模擬，得知制備的磁性納米二氧化鈦結(jié)構(gòu)為銳鈦礦，光催化性能較好，納米TiO2光催化降解甲基橙的反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)。磁性包覆后光催化性能沒(méi)有降低，催化劑的磁性更有利于磁性納米TiO2的回收利用。

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