新型載體負載二氧化鈦光催化劑的開發及性能研究

張珊珊，何媛媛，魯海妍，孔曉彥

新型載體負載二氧化鈦光催化劑的開發及性能研究

張珊珊，何媛媛，魯海妍，孔曉彥

（青海省地質礦產測試應用中心，青海 西寧 810000）

采用溶膠-凝膠法，選用硅藻土、鋁粉、粉煤灰作為載體，制備負載型二氧化鈦光催化劑，并以亞甲基藍溶液為底物，以投加量、時間、TiO2與載體比例為影響因素，在每個因素下確定3個水平做3因素3水平正交試驗，選出最優水平，并與無負載的二氧化鈦催化效果做對比，研究負載后的光催化劑性能的變化。

硅藻土；鋁粉；粉煤灰；光催化劑

近幾十年來，半導體多相光催化技術被廣泛的運用于污染治理，其中納米TiO2因其在一定波長的光電子激發下可產生氧化能力極強的表面光生空穴，使它降解有害物質的能力很強。為了將納米TiO2光催化技術運用到實際廢水、廢氣處理中，可利用表面負載技術以提高TiO2光催化性能。常用的載體有活性炭、硅膠、分子篩、多孔陶瓷等，選用載體有利于光催化劑的失活再生及循環利用，在實際運用中可降低成本。本文選用硅藻土、鋁粉、粉煤灰作為載體，研究表面負載技術對TiO2光催化性能的提高[1-5]。

1 負載型光催化劑的制備

1.1 載體的預處理

取一定量的載體，放入燒杯中，加入適量蒸餾水，煮沸，離心，反復洗滌3次后置于干燥器中，80 ℃下干燥24 h取出，待冷卻后密封待使用。

1.2 負載型光催化劑的制備

取5 mL鈦酸四丁酯溶液，在劇烈攪拌下逐滴加入 8 mL無水乙醇，0.5 h后向溶液中緩慢滴加一定量的冰乙酸并劇烈攪拌0.5 h制得溶液A；取8 mL無水乙醇，加入 1.7 mL冰醋酸及0.6 mL去離子水，置于燒杯中充分攪勻，將一定量的載體加入其中劇烈攪拌30 min制得溶液B；將溶液B滴加到溶液A中，劇烈攪拌后，形成透明溶膠，室溫下陳化形成透明凝膠。將此凝膠在80 ℃下干燥24 h后研磨得到干燥粉體，再將粉體置于馬弗爐中在500 ℃焙燒2 h，制得TiO2與載體比例分別為2∶1、3∶1、 4∶1的負載型光催化劑，另外制備一個無負載的純相TiO2光催化劑（即TiO2與載體比例為1∶0），用以比較負載后的光催化劑性能是否有所提升[6-7]。

2 最優催化條件探究

在8 W的紫外燈照射下，調整燈距為10 cm，室溫下，以20 mg·L-1的亞甲基藍溶液為底物，在劇烈攪拌下每隔20 min取出部分溶液，離心后測吸光度，再倒進原溶液中，通過正交實驗選擇負載后光催化劑降解的最佳條件。

2.1 不同催化劑投加量對降解效果的影響

取3個100 mL燒杯，均加入50 mL 20 mg·L-1的亞甲基藍溶液，分別加入TiO2與載體比例最優的光催化劑0.05、0.10、0.15 g。

2.2 TiO2與載體比例對降解效果的影響

取3個100 mL燒杯，均加入50 mL 20 mg·L-1亞甲基藍溶液，分別加入最優催化劑投加量下的TiO2與載體比例分別為2∶1、3∶1、4∶1的光催化劑。

2.3 負載不同時的催化效果對比

為了證明負載后的光催化劑性能優于無負載的光催化劑，做此對照試驗。在同等條件下，取催化效果最優的負載型光催化劑，根據其二氧化鈦含量計算出應該稱取的負載型光催化劑質量，使其中所含的二氧化鈦為最優投加量，與無負載的、催化劑投加量為最優投加量的實驗組進行對照[8]。

表1 正交試驗因素及水平

注：A—催化劑投加量，g；B—光催化反應時間，min；C—TiO2與載體比例。

3 光催化效率的研究

3.1 純相TiO2光催化劑降解效果的測定

采用純相的TiO2光催化劑，研究催化劑投加量為0.05、0.10、0.15 g時的光催化效果，見圖1。

圖1 無負載TiO2光催化劑降解率隨催化劑投加量的變化

由圖1可知，對無負載的TiO2光催化劑的光催化性能進行測定時，其降解效果隨催化劑投加量的增大反而有所下降，這是因為催化劑投加量過大時，會使得溶液中的光催化活性中心減少，從而降低光催化效果。催化劑投加量為0.05 g時的光降解效果最好，在80 min處就能達到95.0%，說明該法制得的純相TiO2光催化劑性能較好。

3.2 硅藻土/TiO2負載型光催化劑降解效果的測定

3.2.1 硅藻土/TiO2負載型光催化劑正交實驗

硅藻土/TiO2負載型光催化劑正交實驗試驗結果如表2所示。

由表2可以看出， A、B、C 3個因素中，除時間外，TiO2與載體比例對最終降解率的影響最大，催化劑投加量對降解率的影響最小。因此，當催化劑投加量為0.15 g，光催化反應時間為60 min，TiO2與載體比例為3∶1時，降解效果最佳。

表2 硅藻土/TiO2負載型光催化劑正交試驗結果

3.2.2 負載前后的催化效果對比

為了證明負載后的光催化劑性能優于無負載的光催化劑，做此對照試驗。在同等條件下，取催化效果最優的TiO2與載體比例為3∶1的負載型光催化劑0.20 g，使其中所含的二氧化鈦為0.15 g，與純相、負載后催化劑投加量為0.15 g的實驗組進行對照，結果見圖2。

圖2 負載前后的催化效果對比

由圖2可知，實驗組降解效果優于對照組，說明載體對于光催化劑的光降解效果有增強作用。但是與催化劑投加量為0.15 g時的降解效果對比，降解效果卻有所降低，這是因為在催化劑投加量為 0.2 g時，溶液過于渾濁，對紫外線的散射以及屏蔽作用加強，影響了光線的吸收，使降解率下降。

3.3 鋁粉/TiO2負載型光催化劑降解效果的測定

3.3.1 鋁粉/TiO2負載型光催化劑正交實驗

正交實驗結果如表3所示。

表3 Al/TiO2負載型光催化劑正交試驗結果統計

分析可知，對降解率的影響由大到小排序為B、A、C，即反應時間對降解率的影響程度最大。當催化劑投加量為0.10 g，光催化反應時間為60 min，TiO2與載體比例為4∶1時，光催化效果最佳。

3.3.2 負載前后的催化效果對比

為了證明以鋁粉為載體的負載型光催化劑較于純相的TiO2光催化劑性能有所提升，取TiO2與載體比例為4∶1的負載型光催化劑0.125 g，使其中所含的二氧化鈦為0.10 g，與純相、催化劑投加量為0.10 g的實驗組對比，結果見圖3。

圖3 負載前后的催化效果對比

由圖3可知，在催化劑中二氧化鈦所含質量均為0.10 g時，負載后的光催化劑相比于無負載的光催化劑降低了，但是催化劑投加量為0.10 g的一組實驗，降解效果卻明顯優于無負載的光催化劑。

3.4 粉煤灰/TiO2負載型光催化劑降解效果的測定

3.4.1 粉煤灰/TiO2負載型光催化劑正交實驗

正交試驗結果見表4。

表4 粉煤灰/TiO2負載型光催化劑正交試驗結果

通過正交試驗，發現A、B、C 3個因素光催化效果的影響程度由大到小為B、A、C，即反應時間對降解率的影響最大。當催化劑投加量為0.15 g，光催化反應時間為60 min，TiO2與載體比例為4∶1時，能得到的光催化效果最佳。

3.4.2 負載前后的催化效果對比

為證明以粉煤灰為載體的負載型光催化劑較于無負載的光催化劑性能有所提升，取TiO2與載體比例為4∶1的負載型光催化劑0.186 g，使其中所含的二氧化鈦為0.15 g，與純相對比，結果見圖4。

由圖4可知，當溶液中添加的光催化劑中所含的二氧化鈦質量為0.15 g時，負載后的光催化劑在前80 min內的光降解效率遠遠大于無負載的光催化劑，但是在100 min至140 min，二者幾乎持平。同樣采用負載型光催化劑時，催化劑投加量為0.15 g的一組降解效果優于催化劑投加量為0.186 g的一組，原因可能是催化劑投加量過于大時，會導致溶液渾濁，過多的上層光催化劑阻擋了底層粉煤灰對紫外光的吸收，影響了光催化效果。

圖4 負載前后的催化效果對比

4 結 論

硅藻土/TiO2負載型光催化劑在催化劑投加量為0.15 g、TiO2與載體比例為3∶1時光催化降解效果最好，在反應進行到140 min時能達到97.4%的降解率；鋁粉/TiO2負載型光催化劑在催化劑投加量為0.10 g、TiO2與載體比例為4∶1時光催化降解效果最好，在反應進行到140 min時能達到97.3%的降解率；粉煤灰/TiO2負載型光催化劑在催化劑投加量為0.15 g、TiO2與載體比例為4∶1時光催化降解效果最好，最終能達到94.2%。通過對照實驗發現硅藻土、鋁粉負載后的光催化劑較于純相二氧化鈦光催化性能有所提升，但粉煤灰負載的光催化劑雖然在前80 min內效果遠大于純相TiO2，但最終效果與純相的TiO2相差不多。

本課題受到“青海學者”的專項資助，在此表示感謝！

［1］陶詠，陳愛平，戴智銘，等．新穎負載型光催化劑的開發[J].華東理工大學學報，2001（6）：618-622．

［2］王金果.多級結構單晶TiO2的制備、修飾與光催化性能研究[D].上海：華東師范大學，2013.

［3］韓兆慧，趙華僑.半導體多相光催化應用研究進展[J].化學進展，1999，11（1）：1-10.

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［5］錢進.粉煤灰微珠負載納米二氧化欽光催化劑制備及光催化性能研究[D]. 江蘇：江蘇大學，2009.

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［6］張汝冰，劉宏英，李鳳生. 均勻沉淀法制備納米TiO2及其在環保方面的應用[J]. 環境化學, 1999，18（6）：579-583.

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Study on Development and Properties of New Supported Titanium Dioxide Photocatalysts

,,,

(Qinghai Province Geology Ore Testing and Application Center, Xining Qinghai 810000, China)

Taking diatomite, aluminum powder and fly ash as carrier, supported titanium dioxide photocatalyst was prepared by sol-gel method. Taking methylene blue solution as substrate, choosing dosage, time, ratio of TiO2and carrier as influencing factors, three -factor and three-level orthogonal test was carried out to choose the best level and compare the performance of the supported photocatalyst with no supported TiO2. The change of the supported photocatalyst was studied.

Diatomite; Aluminum powder; Fly ash; Photocatalyst

青海學者資助，青人社廳函〔2019〕48號。

2020-06-28

張珊珊（1992-），女，助理工程師，甘肅省武威市人，2014年畢業于內蒙古科技大學應用化學專業，研究方向：巖石礦物分析。

何媛媛（1989-），女，助理工程師，研究方向：巖石礦物分析。

TQ624

A

1004-0935（2020）11-1336-04