硅胶负载氮掺杂二氧化钛的制备及性能的研究

硅胶负载氮掺杂二氧化钛的制备及性能研究胡停伟，严洋，文乐维，刘金龙(湖北民族学院化学与环境工程学院，湖北恩施)摘要:利用溶胶-凝胶法，以硅胶为载体、以钛酸四丁酯为钛源、尿素为氮源制备了具有良好性能的“硅胶负载氮掺杂二氧化钛”(NTS)光催化剂。考察主要硅胶目数对光催化活性的影响。结果表明，在氮投加量为30%、钛硅比为1/1、焙烧温度为500℃的条件下，硅胶目数为120-200时制备的NTS具有最佳的光催化活性。氮掺杂二氧化钛(NT)经硅胶负载后，其表面孔结构发生了变化，且热稳定性增加。亚甲基蓝降解实验表明:与T、NT相比，NTS体现出更高的光催化活性。关键词:光催化;TiO2;氮掺杂;硅胶;亚甲基蓝降解ThepreparationofsilicagelnitrogendopedTiO2andperformanceresearchTingweiHu,YangYan,LeweiWen,JinlongLiu(Hubeiinstitutefornationalities,instituteofchemicalandenvironmentalengineering,hubeienshi)Abstract:Usingsol-gelmethod,silicagelasthecarrierandtetrabutyltitanateastitaniumsource;ureaasnitrogensourcewaspreparedwithgoodperformanceof“siliconnitrogendopedTiO2photocatalyst(NTS)”.Studyingtheeffectofmainsiliconmeshopticalcatalyticactivity.Resultsshowedthatthenitrogenadditiveamountwas30%,titaniumsiliconratioof1/1,calcinationtemperatureis500℃condition,siliconeitemnumberis120-200inthepreparationofNTShasthebestphotocatalyticactivity.NitrogendopedTiO2(NT)aftersilicagelload,thetablefacestructurehaschanged,andthethermalstabilityincreased.MethylenebluedegradationexperimentsshowthatcomparedwithT,NT.NTSshowedhigherphotocatalyticactivity.Keywords:photocatalytic;TiO2;Nitrogedoping;Silicagel;DegradationofmethyleneblueTiO2由于具有无毒、价廉、性能稳定和耐腐蚀性等优点成为应用最广泛的光催化剂。TiO2在应用中存在载离子复合几率高，光催化效率低，回收困难的问题。其中氮掺杂TiO2是近年来非金属元素掺杂改性TiO2研究的重要内容，主要集中于掺杂方法的研究和改性原理的探讨。制备氮掺杂TiO2的方法主要有溶胶－凝胶法、水热法、喷雾高温分解法等。以硅胶为载体,尿素为氮源,在常温条件下采用溶胶-凝胶法制备硅胶负载氮掺杂二氧化钛粉末。在可见光照射下以亚甲基蓝为目标物对光催化活性进行测试。在制备出了具有高活性的TiO2和氮掺杂TiO2的基础上，寻求高催化活性的具有一定目数的硅胶负载氮掺杂TiO2。1实验部分1．1样品的制备纯二氧化钛(T)的制备。将10mL钛酸四丁酯在搅拌条件下缓慢加到10mL无水乙醇中,混合均匀形成透明溶液A;将10mL无水乙醇和10mL去离子水和5mL冰醋酸混合均匀形成透明溶液B;在剧烈搅拌下将B液逐渐加入到A液中,变成凝胶后停止搅拌。陈化4h后将凝胶放入恒温干燥箱中在100℃下恒温12h。然后将其置于马弗炉中,缓慢升温至160℃，恒温30min,迅速升温至500℃，恒温4h.即制得纯TiO2，标记为T。氮掺杂二氧化钛(NT)的制备。按照上述步骤,将0.1741g尿素均匀混合在B液中，其它制备条件相同,制得氮掺杂二氧化钛，标记为NT。硅胶负载氮掺杂二氧化钛(NTS)的制备。TNS的制备方法同NT，将2.2950g硅胶(40-60目、120一200目)加入到不断搅拌的溶液B中,凝胶后方法同上在100℃下干燥,最后进行焙烧。经500℃焙烧4h便制得具有一定目数的硅胶负载N掺杂TiO2，标记为NTS。1．2样品的光催化活性测试以亚甲基蓝降解为模型反应来评价样品的光催化活性。取0.2000g光催化剂投放于200.0mL、10mg/L亚甲基蓝溶液中，首先将之避光搅拌30min，以消除吸附对亚甲基蓝溶液浓度变化的影响，然后再进行光催化降解实验。在实验过程中，每隔1h取5.0mL反应溶液，在1500r·min转速下离心分离3min后，取上层清液在662nm波长的紫外分光光度计下测量亚甲基蓝溶液的吸光度A。2结果与讨论2.140-60目和120-200目NTS的光催化活性比较从图2.1可以看出，100-200目的NTS一开始就表现出较高的催化效率，降解率为84.99%，催化性能明显优于其它两种。6h后NT、NTS(40-60)、NTS(120-200)对亚甲基蓝溶液的降解度分别为63.72%、71.39%、95.03%。可见100-200目的TNS在可见光下的光催化活性更高。表2.1NTS对光催化性能的影响（焙烧温度：500℃）样品目数降解率/%1h2h3h4h5h6h1NTS(40-60)20.1530.9940.2164.8369.0171.392NTS(120-200)84.9989.7092.3693.1694.4095.033NT2.017.2416.2025.1544.2763.72图2.1不同目数TNS作用下，亚甲基蓝降解率随时间变化图2.2光催化活性评价由图可知：加入光催化剂的亚甲基溶液降解率高于未加入光催化剂的。掺氮的光催化剂的降解效率大于未掺氮的。可见在制备过程中掺杂氮元素是可行的，可明显提高光催化剂的催化效率。可能是适量的掺杂使紫外-可见吸收光谱发生较大红移、吸光率增大并呈现出较强的光催化性能。当将NT负载在硅胶上时，光催化剂的降解率大大提高，6h后的降解率为95.03%。因此，120-200目的NTS在本实验中具有最高的催化效率。表2.2各种催化剂光催化性能的比较（焙烧温度：500℃）样品种类降解率/%1h2h3h4h5h6h1空白样0.513.275.898.8013.8216.442纯T12.8117.4924.2434.6342.6852.033NT2.017.2416.2025.1544.2763.724NTS(120-200)84.9989.7092.3693.1694.4095.03图2.2不同光催化剂作用下，亚甲基蓝降解率随时间变化图3结论采用溶胶-凝胶法制得硅胶负载N掺杂TiO2可见光响应TSN光催化剂。将硅胶的优良吸附性能与N掺杂TiO2的可见光响应性能有效结合。结果表明，可以制备高表面积的氮掺杂TiO2光催化剂，该方法简便易行，而且可以明显改善催化剂的可见光光催化活性。该催化剂以较少的二氧化钛用量，却体现了高于氮掺杂二氧化钛的光催化活性。经硅胶负载的氮掺杂二氧化钛不但可以使催化剂易于从反应体系中分离出来，增加催化剂的使用效率，而且可以通过增加催化剂的热稳定性、影响表面结构、增强吸光性能等来显著提高催化剂的催化活性。参考文献［1］陈孝云,陆东芳,张淑惠,黄碧珠.SiO2负载氮掺杂TiO2可见光响应光催化剂的制备及性能.无机化学学报，2012,28(2)：350-002［2］夏勇，王海燕，沈翔.氮掺杂TiO2可见光光催化剂的制备及性能.环境工程学报，2012，6(9)：617-000[3]邓培昌，胡杰珍，王海增.硅胶负载F掺杂TiO2的制备与性能评价.广州化工,2011,39(5):524-088［4］王艳,王水利,马洁平.硅胶负载二氧化钛膜的制备与性能研究.科技创新导报，2008,03：710-054［5］徐宝龙，王勇，朱旭辉，李剑平，钟玉荣.氮掺杂TiO2的制备及其光催化性能研究.中国粉体技术，2010,16(6):264-005[6]冯光建，刘素文，修志亮,等.氮掺杂二氧化钛纳米粉体的制备及光催化性能的研究[J].中国粉体技术，2008，14（3）：39-42［7］樊丽霞，邓培昌，王海增，等.溴掺杂TiO2光催化剂的制备与性能研究．环境工程学报，2010，4(2):417-421FanLixia，DengPeichang，WangHaizeng，etal．Prepara-tionandphotocatalyticperformanceofbromine-dopedTiO2photocatalyst.ChineseJournalofEnvironmentalEngineer-ing，2010，4(2):417-421(inChinese)