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Ag-AgCl、C对TiO2光催化剂的改性研究

来源:飒榕旅游知识分享网
44 第44卷,第1期 2018年2月 安徽化工 ANHUI CHEMICAL INDUSTRY Vol_44.No.1 Feb.2O1 8 Ag—AgCI、C对TiO2光催化剂的改性研究 陈宇洋,徐帆,朱建君 (信阳师范学院化学化工学院,河南信阳464000) 摘要:为了解决二氧化钛在可见光下光催化效率低的难题,对二氧化钛进行改性研究。以钛酸丁酯为钛源,利用溶胶凝胶法制备出TiO 、 Ti02/碳球、Ag—AgCl/TiO 两相复合光催化材料以及Ag—AgC1/TiOJ碳球三相复合光催化材料。采用XRD、SEM、EDX、uV等手段对光催化 材料的组成、微观形貌及光响应特征进行了分析,并在可见光照射下进行罗丹明B溶液的光降解反应,从而研究这一系列复合材料的光 催化降解效果。实验结果表明,在可见光照射下,Ag-AgC1/TiOJ碳球三相复合光催化剂的光降解效果最好;Ag—AgCl/TiO 两相复合光催化 剂的光降解效果次之;TiOJ碳球的两相复合光催化剂的光降解效果最差。 关键词:TiO ;改性;复合光催化剂;罗丹明B doi:10.3969/j.issn.1008-553X.2018.01.021 中图分类号:0643.3 文献标识码:A 文章编号:1008—553X(2018)01—0044—05 随着环境、能源问题的不断加深,保护环境及开发、 Ag表面将获得形成的空间电荷层中多余的负电荷,TiO 表面上的负电荷就会被完全转移,从而抑制光生电子和 光生空穴的复合,进而改善其光催化活性。虽然这种方 利用新能源的呼声越来越高,光催化材料应运而生,成 为解决这一问题的重要技术之一【1 。高光催化活性、低 成本、稳定、无毒等特点,使得二氧化钛作为半导体光催 式可以或多或少地延长TiO 的光吸收区,但热不稳定 化剂在发现之初被认为是最有前途的半导体材料,通过 性和载流子复合中心的增加极大地限制了过渡金属掺 光催化技术降解有机物解决环境问题得到了广泛应用。 由于二氧化钛作为半导体光催化剂,具有宽带隙(3.20 eV),太阳能利用率低(只利用占太阳光5%的紫外光), 光诱导产生的电子一空穴复合速度快等特点,在很大程 度 限制了它在光降解方面的应用,因此开发具有可见 光响应的光捕获TiO 复合光催化剂具有重要意义14]。许 多学者致力于提高TiO 的光催化效率,提高TiO 光催 化性能的方法有合成纯TiO。,改变其比表面积或微观形 貌,或者化学改性、与其他半导体材料表面敏化和耦合 等,其中TiO 掺杂金属/非金属合成复合光催化材料对 于减慢光生电子一空穴的复合速度是一个行之有效的 方法。 杂剂的性能嘲。另一方面,最近几年对TiO 的非金属掺 杂研究以氮、碳和硼原子等的掺杂为主要研究方向。 Asahi等I 报道,氮掺杂TiO 显著改善了其光吸收和光 催化活性。根据状态密度的分析,锐钛矿型TiO 晶体的 N掺杂中,取代掺杂将会产生一个带隙变窄驱动的N1『 l的状态与O 的状态。然而最近的实验数据似乎违背了 他们的理论,Irie等人研究表明,掺杂TiO 的可见光响 应可能是由于N 分离在TiO 的价带上方。同样,红移 在碳掺杂TiO 被Choi等人观察到,吸收带移向更长的 波长,因此光催化性能提升更显著。随着TiO 复合光催 化材料的研究不断深入,性能更加优良的材料会对环境 保护和污水治理提供更好的方法l121。 本文采用C、Ag~AgC1的共掺杂来实现对TiO 的改 性。光还原沉积的银粒子利用C良好的导电性,在C和 最近,TiO 掺杂金属/非金属的改性研究吸引了很 多学者,复合材料的合成可延伸TiO 在可见光的吸收 区,从而提高其光催化效果。金属掺杂以Fe 、Ag+金属 TiO 微球表面之间获得电荷层中多余的负电荷,以增强 复合材料的可见光吸收。Ag—AgC1/TiO 和物质之间的界 面有利于光生电子从物质直接迁移到Ag—AgC1/TiO ,这 有助于延缓电子一空穴的复合,提高复合材料的降解活 性 离子较多,张理元等151发现掺杂Ag可以进入TiO 晶格 内部,因此能够抑制样品二氧化钛的晶型转变,使其吸 收带发生一定的红移。掺杂原理是通过改变体系中的电 子分布来影响TiO 的表面活性,当两者接触之后,金属 收稿日期:2017一l1一o3 基金项月:信阳师范学院研究生科研创新基金(No.2016KYJJ36) 作暂简介:陈字洋(1993一),女,研究生,研究方向:纳米光催化材料;通讯联系人:朱建君(1979一),女,副教授,chemzhujj@126 OI1/。 陈宇洋,等:Ag—AgC1、C对TiO 光催化剂的改性研究 45 1实验部分 1.1试剂与仪器 烧3h。产物用稀盐酸和蒸馏水分别洗数次,然后在80 ̄C 下真空烘干6h得到自掺杂的二氧化钛空心球。作为对 钛酸丁酯(天津市兴复精细化工研究所);硝酸银 照试验,分别制备出1—4号样品,详见表1。 1.2.3银负载的二氧化钛空心球的制备 (上海试剂一厂);葡萄糖(国药集团化学试剂有限公 司);硼氢化钠(国药集团化学试剂有限公司);浓盐酸 (烟台市双双化工有限公司);无水乙醇(天津市永大化 学试剂有限公司);罗丹明B(天津市博迪化工有限公 司);36%乙酸(天津市永大化学试剂有限公司)。所有化 学试剂均为分析纯。 用光还原沉积的方法 ”将银沉积在样品上。将合 成的TiOJC样品超声分散在50mL的去离子水中,然后 将10mL AgNO 溶液和20mL稀盐酸依次逐滴加入到上 述分散液中,磁力搅拌后,将混合溶液用300W的高压 汞灯照射30rain。水洗至悬浮液处于中性,在80℃下烘 x射线粉末衍射仪(PW3050型,Phillip公司);冷场 干。根据以上步骤可制备出样品5—8,见表1。 发射扫描电子显微镜(S-4800型,日立公司);双光束紫 1.3光降解实验 外一可见分光光度计(UV一8000S型,上海元析仪器有限 将上述所制得的样品依次进行光反应实验,取12 公司);光化学反应仪(XPA一7型,南京市胥江机电厂); 份10mL,4mg/L的罗丹明B溶液分别置于l2个样品管 马弗炉(KSL一1200X—J,合肥科晶材料技术有限公司); 中,每个样品管中加人样品0.01g,然后将其放在光反应 超声波清洗器(KQ2200型,昆山市超声仪器有限公司)。 仪中磁力搅拌,保持光催化剂处于悬浮状态,与罗丹明 1.2样品制备 B溶液充分接触,在暗处处理1h,使之达到吸附饱和。之 1.2.1碳球模板的制备 后在300W氙灯照射下进行光反应实验,每隔12min抽 将5g葡萄糖溶解在40mL水中,将其转移到50mL 取一次,离心分离后,在吸收波长为552nm处测定其吸 高压釜中,180 ̄C水热处理8h后,乙醇和蒸馏水洗数次, 光度,并用以下公式计算出降解率: 80 ̄C烘干,制得碳球。 ,、 ^ 降解率(%)=1一 x 100%=1一 一×100% 1.2.2 TiO2空心球的制备 Co Ao 将制得的碳球0.5g超声分散于30mL乙醇中,将5 其中,C。、C分别是罗丹明B溶液的起始浓度和被 mL的钛酸异丙酯逐滴加入并搅拌形成溶胶,然后将0.2 测浓度;A。、A分别是罗丹明B溶液的起始吸光度和被 g的硼氢化钠加入并搅拌直到形成凝胶,将此凝胶放置 测吸光度。 在80%下过夜,然后将所得粉末研磨后放在500℃下煅 表1样品编号及制备各样品的反应物 Tab.1 Sample number and reactant for preparation of each sample 2结果与讨论 NaBH 的二氧化钛,其晶型为锐钛矿相,且其(101)面特 2.1 X射线衍射分析 征峰尖锐,说明制备出的TiO 是结晶度很好的锐钛矿 图1是所制备碳球的XRD图谱。由图1可知,在20。 相。无定形碳球掺杂TiO:的图谱与未掺杂的图谱基本 附近大而宽的衍射峰说明制备出的碳球是无定型的。图 一致,且锐钛矿相的特征衍射峰位置也基本相同且尖 2是样品1—8的XRD图谱。由图2可知,体系中加入还 锐,说明无定形碳球的加入并没有改变TiO 的锐钛矿 原剂NaBH 制备出的TiO:,其锐钛矿相(101)面的特征 结构。银负载的图谱与未负载的相比有明显区别,由图 峰并不明显,说明其结晶度不好;而相对于未加人 可知,在银负载情况下,锐钛矿的(101)(103)(004) 总第21 I}9】201 8 第1 ( 44苍) 奠徽化 (1l2)(200)(105)(2l1)(204)(215)特 峰 没发牛 的掺杂对TiO 的 格结构没仃影响.且有AgCI形 变化,…司时有新衍射峰tt{现 、通过标准XR1) 比,显示 AgC1品格 脱(I)1)1+#41—1402)lt r此说明, 成;同时,体系r-f1 JJl1人还原剂,Ii: 光照条件下,部分 Ag(:l被还原成l丫J 埙Ag~ 2㈨, 图1碳球的XRD谱图 Fig.1 XRD diagram of carbon sphere 图2 1—8号样品的XRD谱图 Fig.2 XRD patterns of sample 1—8 2-2微观结构测试 址债载后的EI)X测 结果由 4( ·)可 ,样 巾 仃 ) , Pt、C、Al址 圳样过程ffI引入体系的;…『殳I 4 (1 )可 样品[}1确实仃Ag、Agcl的仔任,并且根 IU镜 lIJ‘ l Ag、Ag( l负载较均匀 2.3光催化性能分析 图3足样-I占的电镜¨捕 ,麒中(a)(I )址 同放大 倍数下碳球的SEM图,(t·)为银负载前p_r ri() /(:的两相 催化剂的SEM I冬I,(d)为 负载后Ag—Ag(:I/P—rr.()√( ■ 相催化剂的SEM图。由『皋l 3_【JT知,碳球的A 左右;! i Fi() 与碳球复合之』 ,Ti() 在碳球 5001Ⅲ 沉积, 5(a)是.ri()!、Ti( )2/C两村I 介光能化剂在,if 光 形成直径大约为2 m自f帅,dl故水球,Ag负载后仍保持 空 心球结构、罔4是P一.r.(1 /C卡u Ag—AgCI/I)_r1、i()、/C的 EDX图, 4(a)是银负载前的EI)X测试结果, 4(1 ) 源下刈‘罗月‘明l{的降解率 。… 可 ,陔水热法制箭 的 Fi()!样品暗 心lh中IX,f罗卅fJi】lj的【及附率为22%,l 氙灯照射1 32min后降解率为40%,H在制符过 rf1 图3碳球在(a)高倍数和(b)低倍数下的SEM图:(C)P—TiO]C的SEM图(d) Ag—AgCI/P—TiOyC的SEM图 Fig.3 SEM photograph of carbon spheres at(a)high and(b)lowmagn cation;SEM photograph of(C)P—TiOdC and(d)Ag—AgCI/P-TiO]C 陈宇洋,等:Ag—AgC1、C对TiO 光催化剂的改性研究 47 > > a) 、\ a) 、价 \ ∞ C C o o o o 图4(a)P—TiO#C和(b)Ag-AgCI/P—TiOfC的EDX图 Fig.4 EDX pa ̄erns of(a)P—TiOflC and(b)Ag—AgCI/P-TiO#C 加入还原剂NaBH 的纯的TiO 光降解效果比未加入还 丹明B的降解率图。由图可知,4个样品基本上在156 原剂的更好。图5(b)是P—TiO2、TiO2、Ag—AgCI/P—TiO2、 min时达到降解平衡,其中Ag—AgCI/TiO#C三相体系样 Ag-AgCI/TiO 这4个样品对于罗丹明B的降解率图。由 品光催化降解效果最好,在氙灯照射132min时降解率 图可知,4个样品基本上在168min后达到降解平衡,其 达到了60%,而TiO2/C样品在氙灯照射132min时降解 中样品Ag-AgC1/TiO2/C降解效果最好,在氙灯照射132 率仅为25%,降解率提高了35%。图5(d)是非金属碳 min后降解率达到了60%,而TiO 样品在氙灯照射132 球、金属Ag—AgC1共掺杂对TiO 改性的样品对罗丹明 min后降解率仅为40%,降解率提高了20%。对比 B的降解率图。由图可知,4个样品均在相同时间内达到 P—TiO2和TiO2以及Ag—AgC1/P—TiO2和Ag—AgCI/TiO2两 降解平衡,其中Ag—AgCI/TiO#C降解效果最好, 组数据可以看出,体系中是否加入还原剂NaBH 光催化 Ag—AgC1/TiO:降解效果次之,说明Ag—AgC1/TiO2两相 催 效果影响很大,加入了还原剂的样品催化效果相较于未 化剂要比TiO#C两相催化剂的光降解效果要好,其 由 加还原剂的体系更好。图5(c)是P—TiO#C、TiO#C掺杂 Ag—AgCI/TiO2/C三相光催化剂的光降解效率最好。 银前、后的Ag—AgC1/P—TiO#C、Ag—AgCI/TiO#C样品对罗 := 一 一 a\  兰 —dark light I+P—TiO2 l 卜~P_l=竺! 壁 :∞a : lq  0 12 24 36 48 60 72 84 96 108120120140155168180192 O 12 24 36 48 60 72 84 96108120132140158168180192 Tlnie/arin Time/m}n …0 12 24 36 48 60 72 84 961 081 201 32140156168180192 一一0 12 24 36 48 60 72 84 961081201321401 56168180192 Time/rain Time/min 图5在氙灯照射下。TiO 、TiO#C两相和Ag—AgCI/TiOEC三相体系对罗丹明B光催化降解曲线图 Fig.5 Photocatalytic degradatioa of Rhodamine B by TJO2,TiO.#C and Ag-AgCI/TiOflC Jn Xenon lamp 总第211期2018年第1期(第44卷) 安徽化_r and Photoeatalytic Treatment of Hazardous Pollutants[J].App1.Cata1. B,2013,142:718—728. 由以上的数据分析可以得出以下结论:在可见光的 光源下,TiO 、TiO2/C、Ag—AgC1/TiO2两相体系、以及 Ag—AgC|FFi02/C三相体系的光催化剂对罗丹明B的光 降解效率的对比,其中Ag—AgC1/TiOJC三相体系的光降 解效果最好,Ag—AgC1/TiO 两相体系的光降解效果次 之,TiO2/C两相体系的光催化效果并不明显,可能的原 f21吴玉程,刘晓璐,叶敏.碳纳米管负载纳米TiC 复合材料的制 备及其性能 物理化学学报,2008,24(1):97—102. 『31张晓凡.TiC:基纳米材料的制备及其光电催化性能的研究[D]. 武汉:华中科技大学,2015. f41杨文秀.非金属(硼、氮)掺杂改性二氧化钛的制备及光催化性 能和机理研究【D】.杭州:浙江工业大学,2014. 因是金属Ag—AgC1有光催化性能,且其对可见光的响应 较强,与本身就是良好的光催化剂TiC:复合后,其光降 【5】张理元,刘钟馨,于晓龙,等.Ag掺杂纳米二氧化钛的制备及光 解效果得到显著提高。 催化性能研究『J1_功能材料,2010(12):2169—2173. 3结论 本文以钛酸丁酯为钛源,利用溶胶凝胶法制备出 [6刘秀华.金属离子掺杂二氧化钛光催化剂的改性研究[61D].北 京:中国工程物理研究院,2007. 【7】Asahi R,Morikawa T,Ohwaki T.Visible Light Photo—catalysis Innitrogen-doped Titaniumoxide【J1.Science,2001,293(5528): 269—271. TiC2、TiOJ碳球、Ag—AgC1/TiO 两相体系、以及 Ag—AgC1/TiOJ碳球三相体系的光催化剂。采用XRD、 SEM、EDX、uV等手段对光催化材料进行了表征分析, 结论如下: [8]Marisol F,Ana B.Environmental Applications of Titaniagraphene Photocatalysts[J].Catalysis Today,2017,285:1 3-28. [9]Kumar S,Surendar T,Baruah A,et a1.Synthesis of a Novel and Stable g-CsN4-Ag3PO4 ttybrid Nanocomposite Photocatalyst and Study of the Photoeatalytie Activity under Visible Light Irradiation (1)纳米TiC 均匀包覆在碳球上形成良好的两相 体系,Ag—AgC1也能均匀负载形成三相催化剂。 (2)以氙灯为可见光源,对所制备的样品进行了罗 丹明B降解实验,结果表明:c、Ag—AgC1共掺杂的三相 复合光催化剂要比仅掺杂Ag—AgC1的两相复合光催化 lJ].J.Mater.Chem A,201 3,1:5333—5340. f1 0]Pan X Y,Xu Y J.Defect—mediated Growth of Noble—metal(Ag, Pt and Pd)Nanoparticles on TiO2 with Oxygen Vacancies for Photoeatalytic Redox Reactions tinder Visible Light『J1.J.Phys. Chem.C,2013.117:17996—18005. 剂的效果好,而掺杂Ag—AgC1的两相催化剂比掺杂非金 属C的两相催化剂其光降解效果好。 参考文献 …1 Sridharan K,Jang E,Park T J.Novel Visible Light Active Graphitic C 3N4-TiC2 Composite Photocatalyst:Synergistic Synthesis,Growth 【1II章福祥,张秀,陈继新,等,Ag厂ri0 复合纳米催化剂的制备和 表征及其光催化活胜 催化学报,2013,24(11):877—880.口 Study on the Modification of TiO2 Photocatalyst by Ag-AgCI and C CHEN Yu-yang,XU Fan,ZHU]ian-j11,11, (College of Chemistry and Chemical Engineering,Xinyang Normal University,Xinyang 464000,China) Abstract:In order to solve the problem of low photocatalytic eficifency of TiC2 under visible-light irradiation,the modiifcation of titanium dioxide was studied in this paper.Using tetrahutyl titanate as titanium source,TiO2,TiOJcarbon spheres two-phase photocatalyst,Ag-AgC1/TiO2 two-phase photocatalyst and Ag-AgC1/TiOJcarbon spheres three—phase photoeatalyst were prepared by sol-gel method.The composition,microstructure and photoresponse of photoeatalytie materials were analyzed through XRD,SEM,EDX and UV.And photocatalytic activity of photocatalyst composites was evaluated by the degradation of Rhodamine B solution under visible-light irradiation.The experimental results showed that Ag—AgCl/TiOJcarbon spheres three-phase photocatalyst had the best photocatalytic degradation effect,followed by Ag—AgC1/Ti02 two—phase photocatalyst,and TiOJcarhon two—phase photocatalyst had the worst UBder visible—light irradiation. Key words:TiC2;modiication;composifte photocatalyst;Rhodamine B 

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