SrTiO3粉體的水熱法合成和光催化性能*

沈 清

(陜西科技大學(xué)材料學(xué)院 西安 710021)

SrTiO3粉體的水熱法合成和光催化性能*

沈 清

(陜西科技大學(xué)材料學(xué)院 西安 710021)

應(yīng)用水熱法合成了納米SrTiO3和TiO2粉體。應(yīng)用XRD和SEM對粉體進(jìn)行了分析和表征。XRD分析表明，TiO2和SrTiO3粉體分別為純的銳鈦礦相和立方尖晶石晶體，粒子尺寸分別約為12.2 nm和25.3 nm。兩粉體上的甲基橙溶液光催化降解實(shí)驗(yàn)表明，起始溶液pH值和H2O2對光催化性能有顯著影響。低的pH=5和H2O2更有利于兩種粉體對甲基橙溶液的光降解。盡管SrTiO3比TiO2有較大的粒子尺寸，在pH=5和存在H2O2的情況下SrTiO3比TiO2有更大的降解效率。

SrTiO3TiO2水熱合成 納米粉體 光降解 廢水處理

前言

由染料和紡織工業(yè)產(chǎn)生的含染料廢水一般有很重的顏色和有機(jī)物含量，對環(huán)境污染嚴(yán)重。少量的染料可以在水中產(chǎn)生很重的染色減少光線進(jìn)入水中，從而阻礙水中正常的光合成和分解。因此紡織業(yè)產(chǎn)生的廢水必須首先脫色，這在近年得到大量的關(guān)注。

近年來，人們開發(fā)出了好幾種環(huán)境凈化技術(shù)，如水的光催化處理、環(huán)境污染物的氣－固光催化氧化等。TiO2作為光催化劑由于具有優(yōu)異的光催化性能得到普遍關(guān)注。SrTiO3是具有與TiO2有相近光帶隙(3.2 eV)的半導(dǎo)體。近年已經(jīng)有很多SrTiO3光催化性能的研究［1～8］。研究表明，SrTiO3和取代SrTiO3粉體具有比TiO2粉體更優(yōu)異的光催化性能。

SrTiO3粉體的合成有很多方法，包括溶膠 －凝膠法［9］、燃燒法［10］、水熱法［11］等。通常水熱法合成的粉體具有更小的粒子尺寸和小的粒子粘連性。相對TiO2粉體而言，SrTiO3粉體的合成需要更高的合成溫度和時間。此外，很多研究發(fā)現(xiàn)，H2O2和pH值會顯著影響TiO2粉體的光催化性能，但對SrTiO3的光催化性能影響還很少有研究報道。筆者介紹了SrTiO3和TiO2粉體的水熱合成和溶液起始pH值和H2O2對兩種粉體的光降解性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)所用原料都是分析純。SrTiO3粉體的合成:首先將酞酸四丁酯(98%，Ti［CH3(CH2)3O］4，成都昆侖化工廠)溶于乙二醇(98.5%，HOCH2CH2OH，西安化工廠)，等摩爾量的氯化鍶(96.5%，SrCl2·6H2O，西安化工廠)溶于去離子水。兩種溶液的離子濃度都為0.01 M。攪拌的同時緩慢地加入NaOH水溶液至pH值接近9。溶液中迅速形成白色的沉淀。兩種氫氧化物先驅(qū)體混合在一起磁力攪拌1 h后放入高壓釜中。高壓釜密封后首先在80℃保溫8 h，然后在175℃水熱反應(yīng)24 h。爐內(nèi)自然冷卻后過濾，用去離子水反復(fù)洗滌，最后在100℃干燥24 h。

TiO2粉體的合成:首先將酞酸四丁酯溶于乙二醇，溶液的離子濃度都為0.01 M。攪拌的同時緩慢地加入NaOH水溶液至pH值接近9，溶液中迅速形成白色的沉淀。將氫氧化物先驅(qū)體放入高壓釜中，高壓釜密封后在175℃水熱反應(yīng)2 h，爐內(nèi)自然冷卻后過濾，用去離子水反復(fù)洗滌，最后在100℃干燥24 h。應(yīng)用X射線衍射儀(XRD，CuKα1，λ =0.154 06 nm，Model No:D/Max －2200PC，Rigaku，Japan)鑒定合成粉體的晶相。粉體的粒子尺寸由XRD衍射儀配備的Jade5分析軟件確定。應(yīng)用掃描電子顯微鏡(SEM，Model No:JXM－6700F，Japan)分析粉體的形貌和粒子尺寸。

光催化實(shí)驗(yàn)在玻璃燒杯中進(jìn)行。在玻璃燒杯中加入100ml濃度為6×10－6M的甲基橙水溶液，分別加入100 mg的SrTiO3和100 mg的TiO2粉體。在超聲分散儀(40kHz，型號:KQ－5200DE，中國)上以100W的功率分散5min，使粉體和溶液充分混合接觸。以春天8:00～18:00的太陽光作為光源。此外，在3種pH值(5，7和9)的甲基橙水溶液(用HCl和NaOH水溶液調(diào)節(jié))以及甲基橙水溶液中加入2ml的H2O2(30%)情況下進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)。光催化不同時間后甲基橙水溶液的光吸收率應(yīng)用WFZ－900D4型分光光度儀測試。為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，所有光催化實(shí)驗(yàn)在同一天進(jìn)行。

2 結(jié)果和討論

應(yīng)用水熱法合成的TiO2和SrTiO3粉體都為白色的松軟粉體。粉體的XRD分析(見圖1)表明TiO2粉體為純的銳鈦礦相、SrTiO3粉體為立方尖晶石。XRD衍射圖中最強(qiáng)峰對應(yīng)的TiO2和SrTiO3粉體的粒子尺寸分別為12.2 nm 和 25.3 nm。

圖2為TiO2和SrTiO3粉體的SEM照片。由圖2可見，兩種粉體的離子均為均勻的球形粒子，平均粒子尺寸分別約為15 nm和25 nm，與XRD分析結(jié)果一致。應(yīng)用平均粒子尺寸(s，nm)和粉體的密度(d，TiO2:4.1 g/cm3，SrTiO3:5.13 g/cm3)應(yīng)用下式可以近似計(jì)算兩種粉體的比表面積(SBET):

計(jì)算的比表面積SBET分別為TiO2的119.9 m2/g和 SrTiO3的46.2m2/g。

圖1 SrTiO3(a)和TiO2(b)粉體的XRD圖譜

圖2 SrTiO3(a)和TiO2(b)粉體的SEM照片

圖3 3種pH值條件下SrTiO3(a)和TiO2(b)粉體上甲基橙水溶液光吸收率隨光照時間的變化

圖4 H2 O2對SrTiO3和TiO2粉體上甲基橙水溶液光吸收率隨光照時間的變化的影響關(guān)系

圖3為3種pH值條件下SrTiO3和TiO2粉體上甲基橙水溶液光吸收率隨光照時間的變化。圖4為H2O2對SrTiO3和TiO2粉體上甲基橙水溶液光吸收率隨光照時間的變化的影響關(guān)系。盡管SrTiO3的比表面積只有TiO2粉體的39%左右，但3種pH值條件下兩種粉體的光催化效率的平均值相近，當(dāng)pH=5以及H2O2存在時SrTiO3粉體的光催化效率優(yōu)于TiO2粉體。對于SrTiO3粉體而言，較低的和較高的pH值更有利于甲基橙水溶液的光催化分解。H2O2顯著地加速了粉體上甲基橙水溶液的分解，而且對SrTiO3粉體上的作用更為顯著。

3 結(jié)論

應(yīng)用水熱法合成了SrTiO3和TiO2的納米粉體。兩種粉體有小的粒子尺寸和均勻的球形形貌。兩種粉體對甲基橙水溶液有較好的光催化活性。盡管SrTiO3粉體比TiO2粉體的粒子尺寸較大，但在3種pH值(5、7、9)條件下兩種粉體對甲基橙水溶液的平均降解率相近。當(dāng)pH=5和H2O2存在的情況下SrTiO3粉體具有比TiO2更優(yōu)越的光催化降解染料的活性。

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TG133

A

1002－2872(2011)11－0045－03

陜西科技大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZX10－17)資助。

沈清(1968－)，大專，高級實(shí)驗(yàn)師;主要從事材料科學(xué)研究和材料熱分析工作。E－mail:shenq@sust.edu.cn