H3PW12O40TiO2/膨潤(rùn)土光催化降解

張琳葉等

摘要：

通過(guò)溶膠凝膠制得H3PW12O40Ti（OH）4凝膠，并柱撐于膨潤(rùn)土層間制備了復(fù)合光催化劑H3PW12O40TiO2/膨潤(rùn)土。由XRD、SEM、EDS對(duì)制備的復(fù)合光催化劑進(jìn)行表征測(cè)試表明，固載的H3PW12O40TiO2使膨潤(rùn)土層狀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，柱撐體H3PW12O40TiO2呈彌散狀態(tài)，且TiO2為銳鈦結(jié)構(gòu)，催化劑為顆粒粒徑大小不一、分布松散的復(fù)合材料。對(duì)甲基橙的H3PW12O40TiO2/膨潤(rùn)土光催化降解應(yīng)用表明，摻雜的雜多酸使所制備的復(fù)合催化劑光催化活性得到了極大提高，在光催化體系下有較廣的pH適應(yīng)范圍，且制備的催化劑具有良好的催化穩(wěn)定性。在表征分析及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了H3PW12O40TiO2/膨潤(rùn)土的強(qiáng)化催化作用原理。

關(guān)鍵詞：

膨潤(rùn)土；磷鎢酸；TiO2；光催化；甲基橙

半導(dǎo)體TiO2作為非均相光催化劑，廣泛的應(yīng)用于廢水中各類(lèi)有機(jī)污染物的光催化降解[13]。但是粉末TiO2光催化在處理廢水劑的實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題，如TiO2易于流失、難于分離回收等。這些問(wèn)題通過(guò)TiO2的有效固載，制備復(fù)合催化材料得以克服[48]。膨潤(rùn)土是一種硅酸鹽粘土礦物，具有TOT型的層狀結(jié)構(gòu)，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性與優(yōu)良的物化性能，廣泛用做催化劑載體與吸附劑[910]。由膨潤(rùn)土固載光活性組分TiO2所制備的TiO2/膨潤(rùn)土催化劑能夠提高TiO2的應(yīng)用性能[1113]。

然而，單一光活性組分TiO2的催化劑在光利用效率和活性上仍存在一定的缺陷，具體表現(xiàn)為T(mén)iO2的光量子效率低[14]，針對(duì)此缺陷開(kāi)展有效降低光生電子空穴對(duì)復(fù)合率的新方法，是提高催化劑光量子效率的有效措施。雜多酸是由中心雜原子與配位原子通過(guò)氧原子橋聯(lián)方式進(jìn)行空間組合形成的多氧簇金屬配合物，具有氧化還原性和高催化活性[15]，存在HOMOLUMO的能帶隙，可有效的作為光活化TiO2過(guò)程中產(chǎn)生的光生電子的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化體[16]。已有文獻(xiàn)報(bào)道了雜多酸/TiO2復(fù)合材料的制備及光催化性能實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)雜多酸的復(fù)合使TiO2的光催化能力得到極大提高[1719]。雖然這些報(bào)道提高了TiO2的光催化活性，但此類(lèi)催化劑仍存在類(lèi)似于TiO2應(yīng)用的活性組分不穩(wěn)定、易流失、難分離回收等問(wèn)題。

張琳葉，等：H3PW12O40TiO2/膨潤(rùn)土光催化降解甲基橙的催化性能

首先以TiO2與雜多酸H3PW12O40通過(guò)溶膠凝膠法制得H3PW12O40Ti（OH）4凝膠交聯(lián)劑，并交聯(lián)柱撐于膨潤(rùn)土層間制備了復(fù)合催化劑H3PW12O40TiO2/膨潤(rùn)土，在對(duì)催化劑表征分析的基礎(chǔ)上，以甲基橙廢水為光催化處理對(duì)象考察了H3PW12O40TiO2/膨潤(rùn)土的光催化性能，探討了復(fù)合催化劑H3PW12O40TiO2/膨潤(rùn)土的強(qiáng)化催化作用原理。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料、試劑

膨潤(rùn)土購(gòu)于上海試四赫維化工有限公司，經(jīng)提純后測(cè)定其陽(yáng)離子交換容量（CEC）約為0.6 mmol/g；無(wú)水乙醇、鈦酸四丁酯、硝酸、氫氧化鈉、H3PW12O40、甲基橙等試劑均為分析純。

1.2儀器

DF101S集熱式恒溫磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限公司）；UV1201紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（北京瑞麗分析儀器公司）；2601型馬弗爐（北京科偉永興儀器有限公司）；UltimaIV X射線(xiàn)衍射儀（日本理學(xué)公司）；S3400N掃描電鏡（日本Hitachi公司）。

1.3H3PW12O40TiO2/膨潤(rùn)土的制備與表征測(cè)試

按所制備TiO2與膨潤(rùn)土質(zhì)量比為1∶1所需理論量移取鈦酸四丁酯，并置于10 mL無(wú)水乙醇中充分?jǐn)嚢?0 min以形成透明的淡黃色溶液。將該溶液逐滴滴加到20 mL HNO3（1 mol/L）和H3PW12O40（含量為T(mén)iO2摩爾量的0.5%）的混合液中，劇烈攪拌1.5 h生成透明的溶膠。將溶膠以1 mol/L的NaOH調(diào)至pH為1.5形成透明H3PW12O40Ti（OH）4凝膠交聯(lián)劑。將2 g膨潤(rùn)土以70 mL蒸餾水制漿后攪拌0.5 h再加入到H3PW12O40Ti（OH）4凝膠體系，充分?jǐn)嚢? h后進(jìn)行陳化過(guò)夜，最后將陳化物進(jìn)行離心，水洗直至上清液接近中性，所得混合物于105 ℃烘干后在200℃焙燒2 h，即得H3PW12O40TiO2/膨潤(rùn)土復(fù)合光催化劑，將得H3PW12O40TiO2/膨潤(rùn)土研磨至0.15 mm備用。

XRD表征測(cè)定：在Cu靶、管電壓為40 kV、管電流為40 mA、掃描速度為8 °/min測(cè)試條件下，由X射線(xiàn)衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行XRD表征測(cè)試；SEMEDS測(cè)定：用液氮冷卻EDS探針器，把樣品噴金后放入掃描電鏡器中，設(shè)加速電壓為20 kV，選擇合適的視域進(jìn)行拍照，并利用掃描電鏡功能附件能譜儀進(jìn)行元素能譜分析。

1.4光催化降解甲基橙實(shí)驗(yàn)

將10 mg/L甲基橙廢水置于自制的光催化反應(yīng)器，并在溶液中投加一定量的H3PW12O40TiO2/膨潤(rùn)土催化劑，攪拌的同時(shí)打開(kāi)兩ZW15D15WZ303型15 W紫外燈（雪萊特公司）進(jìn)行光照反應(yīng)。一定時(shí)間后，反應(yīng)液進(jìn)行離心后取上清液，用紫外可見(jiàn)光光度計(jì)在464 nm波長(zhǎng)處測(cè)定甲基橙濃度，并按下式計(jì)算其去除率（η）。