TiO2-Nb2O5/絲光沸石分子篩的光催化性能

馬 允,鄭 權(quán),任麗英

(安慶醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校 藥學(xué)系， 安徽 安慶 246052)

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【化學(xué)工程與材料】

TiO2-Nb2O5/絲光沸石分子篩的光催化性能

馬 允,鄭 權(quán),任麗英

(安慶醫(yī)藥高等專科學(xué)校 藥學(xué)系， 安徽 安慶 246052)

共沉淀法合成負(fù)載型TiO2-Nb2O5/絲光沸石光催化劑，以水體中苯酚的降解效果考查鈮負(fù)載量對光催化劑反應(yīng)活性的影響。反應(yīng)條件為：室溫，高壓汞燈照射，催化劑投加量0.33 g/L。結(jié)果表明，Nb/Ti=0.1時光催化劑的活性最好。

TiO2; Nb2O5; 絲光沸石; 光催化降解

二氧化鈦因具有氧化能力強、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、天然儲量豐富等性能，成為最常用的光催化劑[1-3]。目前，鈮元素?fù)诫sTiO2的光催化作用研究也逐漸增多，如Nb2O5光催化氧化乙醇[4]、中孔Nb2O5光催化甲醇制備氫氣[5]、Nb-Ti復(fù)合物光催化分解水[6]、Nb-TiO2催化降解亞甲基藍(lán)[7]等。以分子篩等吸附性材料為載體具有減少中間物進(jìn)入溶液、增加水體中污染物在催化劑上的吸附能力、增大完全礦化率等優(yōu)點[8]而受到人們的關(guān)注。張志翔等[9-11]發(fā)現(xiàn)TiO2負(fù)載絲光沸石后可明顯提高其光催化效果，但向TiO2/絲光沸石中摻雜鈮元素的研究目前還沒有報道，因此本課題嘗試以絲光沸石為載體，通過在TiO2中摻雜Nb2O5，合成沸石負(fù)載型光催化劑，并以其光催化降解苯酚的實驗來研究催化劑的活性，探討出Nb/Ti最佳配比，從而制備出一種穩(wěn)定、高效的負(fù)載型光催化劑。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品與儀器

藥品：鈦酸丁酯(CP 江蘇宜興市展望化工試劑廠)、無水乙醇(AR上?；瘜W(xué)試劑一廠)、草酸鈮(自制)、氨水(AR上海蘇懿化學(xué)試劑有限公司)。

儀器：KQ318T超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)，GGZ300直管形紫外高壓汞燈(上海亞明燈泡廠有限公司)，722N型可見分光光度計(上海精密科學(xué)儀器有限公司)，100型離心機(常州市國華儀器廠)，202-2型恒溫干燥箱(上海實驗儀器總廠)，光催化反應(yīng)器(自制)。

1.2 樣品的合成

無水乙醇/鈦酸丁酯按4∶1(mL/mL)混合，得到鈦酸丁酯的乙醇溶液A。在磁力攪拌下將A加到30 mL 草酸飽和溶液中，滴加完畢后, 將草酸鈮溶液加入到上述溶液, 繼續(xù)攪拌使鈦酸丁酯與草酸鈮充分混合，該溶液標(biāo)記為B。

強力攪拌下將定量的絲光沸石加入到氨水中，制成絲光沸石的懸浮液，將溶液B在攪拌的條件下逐滴加入該懸浮液中得到溶液C。溶液C室溫陳化24 h，真空泵抽濾分離， 95%乙醇洗滌濾餅2次，蒸餾水超聲洗滌濾餅5次，293 K干燥12 h。烘干后放入微波爐輻射加熱10 min，當(dāng)樣品降至室溫后，再放入微波爐中煅燒10 min，既得成品。采用同樣的步驟制備純二氧化鈦及NaY分子篩光催化劑。

實驗選取TiO2+Nb2O5含量30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、Nb/Ti(mol/mol)不同時的催化劑為研究對象，以2.0 g絲光沸石為載體固定量，計算得出Nb/Ti(mol/mol)不同時各試劑的理論量，結(jié)果見表1。

表1 不同比例催化劑所需各試劑量/mL

1.3 催化劑的活性評價

以水體中苯酚的降解檢測樣品光催化活性。將定量催化劑溶于500 mL苯酚(100 mg/mL)溶液中，超聲分散后置于反應(yīng)器中，室溫下紫外高壓汞燈照射。30 min取樣一次，樣品離心分離，取上層清液3 mL，分別加入1 mL K2Cr2O7、5.6 mL Ag2SO4/H2SO4，483 K恒溫干燥箱消解30 min。樣品冷卻至室溫后，于600 nm波長處測其吸光度。溶液中苯酚的量用CODcr法測量[12]，完全礦化部分用飽和 Ba(OH)2溶液吸收產(chǎn)生的CO2[13]測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 TiO2/絲光沸石的光催化活性

TiO2/絲光沸石催化劑的反應(yīng)活性隨時間的變化結(jié)果見圖1。

如上圖所示，隨著反應(yīng)時間的增加，COD降解率也隨之增大，在開始反應(yīng)的120 min內(nèi)，COD降解率快速增加，而隨后的120 min內(nèi)降解幅度變慢，反應(yīng)到最后的30 min時，COD降解率保持不變，苯酚降解速率的減慢，一方面是由于體系中目標(biāo)降解濃度減小，另一方面可能是由于隨著反應(yīng)的進(jìn)行，催化劑的活性有所降低。

2.2 TiO2-Nb2O5/絲光沸石的光催化活性

不同Nb/Ti比的光催化劑反應(yīng)活性如圖2～5所示。

由圖2～5可以看出，隨著反應(yīng)時間的增加，催化劑對苯酚的COD降解率都隨之增大，當(dāng)反應(yīng)至最后一段時間時，降解率變化較為緩慢。主要原因可能是由于開始反應(yīng)時目標(biāo)降解物的濃度較大，反應(yīng)速率較快，因而催化效果較好，而反應(yīng)進(jìn)行一段時間后，隨著目標(biāo)降解物的濃度減小，催化劑的降解效率也隨著降低。Nb/Ti不同時，苯酚的降解率也不同，當(dāng)Nb/Ti=0.1時，苯酚的COD降解率達(dá)到最大，降解效果最好。

取反應(yīng)時間240 min不同Nb/Ti時，比較TiO2-Nb2O5/絲光沸石對苯酚的降解率，結(jié)果見圖6。

由圖6可見，Nb/Ti=0時苯酚的礦化率及COD降解率最小，隨著Nb/Ti比例的增加，苯酚的降解率也隨之增大，當(dāng)Nb/Ti=0.1時，曲線達(dá)到最高點，此時，COD降解率、礦化率取得最大值，降解效果最好，Nb2O5-TiO2/絲光沸石的光催化活性最強。但是繼續(xù)增大Nb/Ti比例到0.2時，苯酚的礦化率及COD降解率卻都減小。造成這種現(xiàn)象可能是由于加入Nb元素后，既能降低TiO2的帶隙能，也可降低體系中電子和空穴的直接復(fù)合率，故能提高催化劑的活性，但鈮的加入量增多時，過多的金屬微粒會充當(dāng)電子-空穴的復(fù)合中心，而加速電子-空穴的復(fù)合，降低光催化降解的速率。

何杰等[14-15]認(rèn)為Nb2O5/TiO2催化劑在異丁烯(IB)與異丁醛(IBA)縮合反應(yīng)中，Nb2O5的加入不超過分散容量時能大幅度增加催化劑的活性，但在光催化降解苯酚的反應(yīng)中，鈮的加入并不能增加TiO2的催化活性，而裴林娟[16]考察偶氮類染料AO7的降解效果時，發(fā)現(xiàn) Nb5+的摻雜可同時提高TiO2納米管在紫外光區(qū)及可見光區(qū)的光催化活性，因此，對于Nb2O5負(fù)載TiO2的催化反應(yīng)活性還有待進(jìn)一步研究。

2.3 載體對催化劑性能的影響

為了考察載體對催化劑的影響，實驗合成出TiO2-Nb2O5/NaY分子篩光催化劑，并取反應(yīng)時間240 min時苯酚的降解率進(jìn)行比較，結(jié)果見圖7。

由圖7可知，與未摻雜催化劑相比，鈮的加入使苯酚COD降解率及礦化率都有所增加，當(dāng)Nb/Ti=0.1時，礦化率及COD降解率均達(dá)到最大，此后，再繼續(xù)增加鈮的含量，反而不利于苯酚的降解。因此Nb/Ti=0.1時，應(yīng)該是催化劑的最佳配比。

通過對比圖6和圖7可知，添加鈮元素前后，以絲光沸石作載體的光催化劑，其苯酚的COD降解率及礦化率均大于NaY分子篩光催化劑，而光催化的最終目的就是達(dá)到完全礦化，因此認(rèn)為絲光沸石更適合做TiO2-Nb2O5光催化劑的載體。

3 結(jié)論

(1)在TiO2中加入Nb2O5后，催化活性有一定提高，在光催化降解苯酚的反應(yīng)中，催化劑配比為Nb/Ti=0.1時降解效率較好。

(2)選用分子篩作為光催化劑的載體，可明顯提高光催化劑的完全礦化率，與NaY分子篩相比，絲光沸石作為載體時，催化活性更好。

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(責(zé)任編輯：鞠衍清)

Photocatalytic activity of TiO2-Nb2O5/mordenite molecular sieve

MA Yun, ZHENG Quan, REN Li-ying

(DepartmentofPharmacy,AnqingMedicalCollege,Anqing246052,China)

The TiO2-Nb2O5/modernite supporting photocatalyst was prepared by coprecipitation method. The effect of Nb capacity on the reactivity of photocatalytic was examined by the degradating effect of phenol in water. The reaction conditions were as follows: room temperature, UV light irradiation, 0.33 g/L catalyst dosage. The results showed that the activity of TiO2-Nb2O5/modernite photocatalyst was the best when Nb/Ti ratio was 0.1.

TiO2; Nb2O5; modernite; photocatalytic degradation

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.01.02

2016-12-05

安徽省高等學(xué)校省級優(yōu)秀青年人才基金重點項目(2013SQRL125ZD)

馬允(1980—)，女，安徽阜陽人，碩士，講師，研究方向：催化新材料的合成及表面修飾、改性。

TQ424.29

A

1673-4939(2017)01-0006-04