活性炭負(fù)載摻鐵納米二氧化鈦的制備及性能研究

楊 帥 何開棘 覃小容 趙文東 王開明/遼寧科技大學(xué)理學(xué)院

活性炭負(fù)載摻鐵納米二氧化鈦的制備及性能研究

楊 帥 何開棘 覃小容 趙文東 王開明/遼寧科技大學(xué)理學(xué)院

首先采用“特殊液相沉淀法”制備鐵摻雜納米二氧化鈦，然后以活性炭為載體，使用“浸漬法”制備了活性炭負(fù)載摻鐵納米二氧化鈦光催化劑。通過TEM對其進(jìn)行表征，結(jié)果表明：粉體中粒子的平均粒徑為30nm左右，具有很好的分散性；并且由于活性炭的吸附作用使活性炭負(fù)載的摻鐵納米二氧化鈦具有很好的催化效果，二者比例為1:1時活性炭負(fù)載的催化劑在40min時對10mg/L的工業(yè)模擬廢水250mL甲基橙溶液可以全部降解。

特殊液相沉淀法；鐵摻雜二氧化鈦；活性炭；光催化

二氧化鈦?zhàn)鳛楣獯呋瘎V泛應(yīng)用于化妝品、涂料、油漆等等方面，然而由于其作為半導(dǎo)體存在一些如禁帶較寬等缺點(diǎn)，導(dǎo)致可見光利用率低、光量子效率不高、催化降解率低等問題，這些一直作為研究的難點(diǎn)被廣泛關(guān)注[1-4]。為了解決上述這些問題，本實(shí)驗首先用“特殊液相沉淀法[5]制備鐵摻雜納米TiO2,然后以活性炭為載體，使用“浸漬法”制備了活性炭負(fù)載鐵摻雜納米二氧化鈦光催化劑。異相摻雜光催化降解有機(jī)物以其速度快、無選擇性、深度氧化完全、能充分利用廉價太陽光和空氣的氧分子等優(yōu)點(diǎn)解決了以上問題，特別是以活性炭為載體增加了催化劑附近有機(jī)污染物濃度，加快反應(yīng)速度,同時還可以提高回收率。

1.實(shí)驗部分

1.1 實(shí)驗儀器及藥品

儀器：PHICTPS--EM420型透射電鏡。日本理學(xué)（RIGAKU）D/MAX--2500PC型X型射線衍射儀。上海申生科技有限公司W(wǎng)201-S恒溫浴鍋；荷蘭飛利浦科技有限公司電子透射顯微鏡；沈陽市工業(yè)電爐廠制造KSY--12型電爐。

藥品：四氯化鈦，分析純，廣東汕頭西隴化工廠。氯化鐵，分析純，上海金山化工廠。氨水，優(yōu)級純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)27％，北京化工廠。無水乙醇，優(yōu)級純，含量99.8％ 北京化工廠?；钚蕴?，市售。正戊醇，分析純，北京化工廠。

1.2 實(shí)驗步驟

1.2.1 活性炭的預(yù)處理

對購買的活性炭在使用之前需對其進(jìn)行簡單的預(yù)處理，既能增加其吸附的效果，又能去除活性炭本身的灰分。首先稱取一定質(zhì)量的活性炭，用適量的去離子水進(jìn)行清洗，去除表面的雜質(zhì),然后置于0.1mol/L的鹽酸溶液中浸泡，靜置24h后過濾，用去離子水調(diào)制至中性，烘干，最后研磨成粉，用50目的篩網(wǎng)過濾，待用。

1.2.2 摻鐵納米二氧化鈦粉體的制備

在室溫下準(zhǔn)確量取氨水135mL，乙醇100mL，倒入500mL容量瓶中，加去離子水定容后放置電磁攪拌器上攪拌10min，制得B液待用；按著摻雜比例準(zhǔn)確量取四氯化鈦溶液65mL,氧化鐵溶液5mL，乙醇100mL,倒入500mL容量瓶中，加去離子水定容后放置電磁攪拌器上攪拌10min，制得A液待用；打開自制反應(yīng)器，同時快速將A液、B液倒入其中，過程中通過調(diào)節(jié)二者流量，一直保持反應(yīng)液PH值為9；靜置反應(yīng)生成的沉淀10min,，然后倒入布氏漏斗中，用去離子水過濾至上層清液中無氯離子（即沉淀中無氯離子）為止；將沉淀移至旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中，加入正戊醇浸沒沉淀，進(jìn)行共沸蒸餾直至成粉末；最后放入馬弗爐中在600℃的溫度下焙燒30min，得到鐵摻雜納米TiO2。

1.2.3 活性炭負(fù)載摻鐵納米二氧化鈦的制備

在二氧化鈦的水溶液中加入處理后的活性炭，摻雜的TiO2粉體和活性炭粉體按照3:1、2:1、1:1、1:2、1:3 的比例進(jìn)行混合，放在攪拌器上攪拌3h，實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)活性炭剛加入時,溶液中有大量氣泡出現(xiàn),隨后氣泡逐漸減少,1-2h趨于穩(wěn)定。然后將混合溶液過濾，放入干燥箱里在150℃下干燥得到活性炭負(fù)載的摻雜納米TiO2光催化劑。

1.2.4 光催化實(shí)驗

室溫下，配制質(zhì)量濃度為10mg/L的工業(yè)模擬廢水——甲基橙溶液，量取250mL該溶液倒入洗凈的燒杯中，稱取一定質(zhì)量的自制樣品放入燒杯中，在電子無極調(diào)速器上攪拌。在陽光照射下每隔10min取樣品一次，在離心機(jī)中分離5min，取上層清液在比色皿中，放入分光光度計檢測其吸光度，并計算光催化降解率η=（A0—At）/A0，其中A0、At分別為降解前后的吸光度。

2.結(jié)果與分析

2.1 TEM分析

圖1 AC AC/Fe-doped TiO2納米粉體的TEM圖譜Fig.1 The TEM photo of AC/AC/Fe-doped TiO2nanometer powders

圖1為活性炭負(fù)載后的摻鐵納米TiO2粉體的TEM圖，可以看出純TiO2粉體粒子小于負(fù)載后的摻雜納米TiO2粉體的粒子；無論何種負(fù)載比例的納米粉體，其納米粒子粒徑分布范圍都比較窄且均勻，負(fù)載后的粉體平均粒徑為30nm左右，并且具有很好的分散性，雖然顆粒之間有團(tuán)聚但是有明顯的界限，為軟團(tuán)聚。

2.2 光催化活性分析

圖2 不同樣品對光催化降解甲基橙的影響Fig.2 The influence of different sample photocatalytic degradation to methylene orange

從圖2 可以看出，活性炭負(fù)載后的摻雜納米二氧化鈦催化劑催化活性最好，在本實(shí)驗范圍內(nèi)，對質(zhì)量濃度為10mg/L的甲基橙溶液250mL，在400min內(nèi)降解率高達(dá)100％。原因可以解釋為——在二氧化鈦半導(dǎo)體中摻入一定比例的鐵離子，產(chǎn)生一個受主能級，可以降低禁帶寬度，提高對可見光的響應(yīng)，另外摻入的鐵離子引發(fā)其晶格畸變，可以抑制光生電子-空穴對的復(fù)合，有助于提高催化活性，另外在活性炭和摻雜的的二氧化鈦以合適的比例復(fù)合制得催化劑，活性炭的吸附作用和摻鐵納米二氧化鈦較強(qiáng)光催化降解能力起到最好的協(xié)同作用，使催化劑的可見光降解率達(dá)到最高。

3.結(jié)論

本實(shí)驗通過“特殊液相沉淀法”和“浸漬法”制得活性炭負(fù)載摻鐵納米二氧化鈦粉體，具有較好的分散性，平均粒徑為30nm左右，通過可見光降解甲基橙溶液表明其具有很好的催化活性，二者比例為1:1的活性炭負(fù)載的負(fù)載摻鐵納米二氧化鈦催化劑，在40min時對250mL 質(zhì)量濃度為10mg/L的工業(yè)模擬廢水甲基橙溶液全部降解。

[1]. 楊東潔，姚書林，魏玉君， 等.納米TiO2分散料漿的制備方法研究[J].四川師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011, 34(2).2-4.

[2]吳晶，高攀，朱忠其，等.鐠和氮共摻雜納米TiO2的制備與性能[J].中國有色金屬學(xué)報，2011,21（6):1481-1485.

[3] 魯良潔,李竟先. 納米二氧化鈦表面改性與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].無機(jī)鹽工業(yè),2007，（10）:1-4.

[4]Dinegar R. Theory production and mechanism of formation of monodispersed hydrosols[J]. Amer Chem Soc, 1950, 72(11): 4847-4851.

[5]王開明，溫傳庚，周英彥，等.納米氧化鋁粉體的特殊液相沉淀法制備[J],金屬功能材料,2005,12 (1):13--15.

注：基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（50272002、50372001）；國家科技部863計劃項目（2003AA302130）。