蘆葦桿炭負(fù)載N摻雜TiO2的制備及光催化活性研究

宋昭崢，秦 擎，岳 駱，杜云鵬，趙 瑩

(中國(guó)石油大學(xué)理學(xué)院，北京 102249)

1 引 言

影響催化劑的光催化活性有很多因素，比如催化劑的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、比表面積、晶體結(jié)構(gòu)、直徑等，通過改變合成條件，可以調(diào)整最終產(chǎn)物電子-空穴對(duì)的生成速率和復(fù)合速率，從而影響光催化性能[1]。引入N、S、C等非金屬元素的摻雜劑，會(huì)使TiO2禁帶變窄，提高光催化效率[2-4]。通過結(jié)合一些有吸附能力的載體，使光催化與吸附相結(jié)合，能夠提高污染物的去除率[5]，酸處理過的蘆葦桿炭是一種具有高比表面積和豐富官能團(tuán)的吸附劑[6]，該材料吸附力好，成本低，目前鮮有對(duì)于蘆葦桿炭負(fù)載TiO2進(jìn)行光催化降解的報(bào)道。

本研究采用溶膠-凝膠法制備了氮摻雜TiO2，改變了制備過程中N/T原子比、退火溫度等因素對(duì)摻雜TiO2光催化劑性能的影響，選取光催化降解條件最優(yōu)的摻雜TiO2負(fù)載在蘆葦桿炭，以氙燈光照降解亞甲基藍(lán)對(duì)負(fù)載摻雜型TiO2的光催化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

所用試劑為鈦酸丁酯，乙酰丙酮，鹽酸，亞甲基藍(lán)，無水乙醇，均為分析純。

所用儀器為FEI Quanta 200F 型發(fā)射環(huán)境掃描電鏡；Bruker AXS D8 Focus 型X射線衍射儀；丹東百特Bettersize 2000 型激光粒度分布儀；舜宇恒平756PC 型紫外可見分光光度計(jì)；中環(huán)電爐12I-3Z/G 型管式爐；季光GXZ500 氙燈光源。

2.2 樣品制備

2.2.1 氮摻雜二氧化鈦的制備

配制前驅(qū)體溶液A：用量筒稱取35 mL乙醇溶液，加入100 mL三口燒瓶中，再量取1.5 mL乙酰丙酮加入三口燒瓶中。打開機(jī)械攪拌，設(shè)置轉(zhuǎn)速為1000 r/min，在激烈攪拌的情況下使用恒壓滴液漏斗緩慢加入10 mL鈦酸丁酯。

配制溶液B：量取20 mL乙醇溶液于50 mL燒杯中，分別加入1 mL水與0.5 mL鹽酸，用玻璃棒攪拌均勻。分析天平分別稱取N/Ti為0.5at%、1at%、2at%的尿素，攪拌加入燒杯中。在A溶液激烈攪拌的情況下，通過恒壓滴液漏斗勻速緩慢的將B溶液倒入A，繼續(xù)攪拌反應(yīng)15 min，反應(yīng)后靜置陳化6 h。設(shè)置真空干燥箱60 ℃，將溶膠烘干。將試樣放入管式爐中，設(shè)定程序?yàn)椋荷郎厮俾? ℃/min，退火溫度設(shè)置350 ℃、450 ℃、550 ℃，保溫240 min，之后隨爐冷卻，TiO2的制備方法同上。

2.2.2 負(fù)載蘆葦桿炭材料制備

將蘆葦桿用酒精、去離子水反復(fù)沖洗，放置管式爐中500 ℃煅燒，升溫速率20 ℃/min，保溫6 h。使用研缽研磨煅燒后的蘆葦桿炭，用篩子篩選粒徑小于0.15 mm蘆葦桿炭。將篩選后的蘆葦桿炭倒入1 mol/L的鹽酸溶液中，浸泡2.5 h去除雜質(zhì)。使用去離子水多次沖洗酸處理后的蘆葦桿炭，待洗滌液呈中性后將蘆葦桿炭放置于烘箱中，105 ℃下烘干待用。取一定量的蘆葦桿加入A溶液攪拌，后續(xù)制備步驟不變，制得蘆葦桿炭負(fù)載型氮摻雜TiO2。

2.3 光催化性能測(cè)試

試驗(yàn)在配有循環(huán)冷凝水裝置的三個(gè)500 mL三口燒瓶中進(jìn)行，取20 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液250 mL，加入0.5 g樣品粉末，遮蔽周圍光源進(jìn)行無光暗反應(yīng)，檢測(cè)樣品對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附率以及亞甲基藍(lán)是否無光自分解。在黑暗條件下攪拌反應(yīng)30 min，使污染物與光催化劑達(dá)到吸附-脫附平衡，用滴管吸取5 mL液體，置于離心機(jī)中，8000 rad/min離心5 min后取上清液，加入比色皿，使用紫外-可見光分光光度計(jì)測(cè)量其在664 nm的吸光度，測(cè)量后倒回三口燒瓶中。打開氙氣燈，繼續(xù)攪拌進(jìn)行光照實(shí)驗(yàn)，每隔30 min用滴管吸取5 mL液體，離心5 min后取上清液，放入比色皿測(cè)量其在664 nm吸光度，測(cè)量后倒回三口燒瓶，重復(fù)操作至3 h。

3 結(jié)果與討論

3.1 N摻雜TiO2分析表征

3.1.1 粒度分析

如圖1所示為摻雜不同比例N元素的粒徑區(qū)間分布，從圖中可以看出，摻雜N的TiO2粒徑主要分布在600～700 nm之間，且分布峰面窄、峰值尖銳，說明摻雜樣品大小規(guī)整，顆粒分布范圍小。其中，TiO21N的平均粒徑最小，主要分布在400～500 nm之間，說明TiO2在摻雜1at% N后粒徑明顯減小，在相同體積情況下比表面積更大，有利于光催化性能的提升[7]。

3.1.2 XRD分析

如圖2所示為TiO21N經(jīng)350 ℃、450 ℃和550 ℃退火處理后的XRD圖，其中，黑色為銳鈦礦型TiO2標(biāo)準(zhǔn)卡片JCPDS 1-562，紅色為金紅石型TiO2標(biāo)準(zhǔn)卡片JCPDS 2-494。從圖中可以看出，摻1at% N的TiO2經(jīng)過不同溫度的退火處理后沒有觀察到N的衍射峰。當(dāng)退火溫度為350 ℃和450 ℃時(shí)，摻1at% N的TiO2呈現(xiàn)銳鈦礦晶型，而且，隨著溫度的升高，衍射峰的強(qiáng)度增加。當(dāng)退火溫度升高至550 ℃時(shí)，觀察到晶面為(110)處的金紅石相TiO2的衍射峰，表明溫度的增加導(dǎo)致銳鈦礦型TiO2發(fā)生相轉(zhuǎn)變，部分銳鈦礦型TiO2轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石型TiO2，這也說明N的摻入可以降低TiO2相轉(zhuǎn)變溫度。根據(jù)公式(1)計(jì)算樣品中金紅石相的含量[8]：

(1)

其中IA是銳鈦礦晶面(101)處的衍射峰，IR是金紅石晶面(110)處的衍射峰，經(jīng)驗(yàn)常數(shù)K為0.79，則根據(jù)上式得出該樣品中金紅石晶型占0.93wt%。

圖1 摻雜不同N含量的TiO2粒徑分布圖Fig.1 Particle size distribution plots of titanium dioxide doped with different nitrogen contents

圖2 350 ℃、450 ℃、550 ℃退火后樣品XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of samples annealed at 350 ℃, 450 ℃, 550 ℃

3.1.3 SEM-EDS分析

如圖3所示為TiO2經(jīng)350 ℃退火處理后和摻雜1at% N元素的SEM圖。從圖3(a)中可以看出，退火處理后TiO2為不規(guī)則的球狀，且分散度好，沒有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象；圖3(b)可以看出N元素的摻雜改變了TiO2原有的形貌為不規(guī)則的塊狀。如圖4為TiO2中摻雜N元素的SEM-EDS圖，EDS選取的是SEM中方框區(qū)域，從圖中可以看出，在TiO2中摻雜1at%的N元素時(shí)，產(chǎn)物中氮氧鈦的原子比例約為：1.19∶69.95∶21.85，EDS的測(cè)試結(jié)果與摻雜量相近。

圖3 350 ℃退火后的樣品SEM圖Fig.3 SEM images of the sample after annealing at 350 ℃

圖4 350 ℃退火后樣品SEM-EDS圖Fig.4 SEM-EDS images of the sample after annealing at 350 ℃

3.2 N摻雜TiO2光催化性能分析

3.2.1 N摻雜量對(duì)光催化效果的影響

江鴻、張萬忠和Suwannaruang[9-11]等通過DRS測(cè)試計(jì)算表明，適量的N可以減小帶隙，增加光催化效率，而過量的N會(huì)吸附在晶體表面，從而導(dǎo)致比表面積減小，催化性能變差。如圖5所示，摻雜不同比例的N均對(duì)TiO2的光催化效率有所提升，其中，1at% N摻雜表現(xiàn)出了最優(yōu)的光催化效果。

3.2.2 退火溫度對(duì)光催化性能的影響

如圖6所示為摻雜1at% N的TiO2經(jīng)350 ℃、450 ℃和550 ℃退火處理后對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率，可以看出，隨著溫度的升高，TiO21N的光催化效率有所降低，這是因?yàn)門iO2不同晶體結(jié)構(gòu)對(duì)污染物的降解率不同，銳鈦礦型TiO2的催化效果最好，而金紅石型TiO2的催化效果較差[7]。銳鈦礦型TiO2存在不完整的晶體缺陷，會(huì)增加氧空位的數(shù)量，在光催化過程中氧空位俘獲電子，延長(zhǎng)電子-空穴復(fù)合時(shí)間，從而提高氧化性能，提升光催化效率,且TiO2對(duì)于污染物的光催化性能主要取決于晶粒的表面性質(zhì)及顆粒大小[7]，同時(shí)，根據(jù)Debye-Scherrer公式可知，在其余參數(shù)相同情況下，衍射峰半高寬度越寬，所得晶粒尺寸越小，光催化效果越好。如圖2所示，隨著退火溫度升高，晶粒尺寸不斷增大，不利于TiO2的光催化性能，而在相對(duì)較低的溫度下退火，更有利于其性能的提高。

圖5 350 ℃退火后N摻雜量TiO2對(duì)光催化效果的影響Fig.5 Effect of N doped titanium dioxide on photocatalytic activity after annealing at 350 ℃

圖6 退火溫度對(duì)光催化效果的影響Fig.6 Influence of annealing temperatures on photocatalytic activity

3.3 蘆葦桿炭負(fù)載摻氮TiO2光催化性能分析

3.3.1 SEM分析

如圖7所示為蘆葦桿炭和負(fù)載摻氮TiO2的SEM圖，可以看出，未負(fù)載的蘆葦桿炭具有疏松多空結(jié)構(gòu)(如圖4(a))，其孔徑約為10 μm。根據(jù)圖1得出TiO21N的平均粒徑最小且粒徑主要分布在400～500 nm之間，因此N摻雜TiO2不會(huì)堵塞孔洞，蘆葦桿炭可以將TiO21N包覆。如圖7(b)所示為蘆葦桿炭的從剖面圖，其內(nèi)壁較為平滑，排列規(guī)整。圖7(c)為蘆葦桿炭負(fù)載了N摻雜TiO2的蘆葦秸稈SEM圖，其表面被TiO2所填滿，相比于未負(fù)載的平滑表面，其表明為凹凸不平。

圖7 (a)蘆葦桿炭孔結(jié)構(gòu)；(b)蘆葦桿炭孔結(jié)構(gòu)縱截面；(c)蘆葦桿炭負(fù)載N摻雜TiO2縱截面Fig.7 (a)Pore structure of reed rod; (b)longitudinal structure of reed rod; (c)longitudinal structure of N doped titanium dioxide supported on reed rod

3.3.2 蘆葦桿炭負(fù)載摻氮TiO2的光催化效果

圖8 蘆葦桿炭負(fù)載N摻雜TiO2光催化效果Fig.8 Photocatalytic activity of N doped titanium dioxide supported on reed rod

TiO2對(duì)污染物具有良好的降解效果，使用化工生產(chǎn)中常見的污染物亞甲基藍(lán)、苯酚、硝基苯和對(duì)氯苯酚探究對(duì)蘆葦桿炭負(fù)載摻氮TiO2的光催化降解性能如圖8所示?？梢钥闯?，蘆葦桿炭負(fù)載摻氮TiO2的降解率均在85%以上，且在暗反應(yīng)階段，載體蘆葦桿吸附了約15%的污染物，在后續(xù)的光催化反應(yīng)中，載體加快了光催化劑(TiO21N)的降解進(jìn)程，從圖中可以看出，在前兩個(gè)小時(shí)蘆葦桿炭負(fù)載摻氮TiO2對(duì)三種污染物中的對(duì)氯苯酚的光催化降解效果最好，在反應(yīng)3 h后，降解率可達(dá)92%；其次是苯酚溶液，降解率可達(dá)90%，降解率最低的硝基苯也能達(dá)到89%，說明蘆葦桿炭負(fù)載蘆葦桿炭負(fù)載摻氮TiO2有利于提高對(duì)污染物的降解效率。

4 結(jié) 論

本文利用溶膠凝膠法成功制備出納米級(jí)TiO2，以亞甲基藍(lán)等有機(jī)物作為污染源，研究N/Ti摻雜元素比例、退火溫度以及蘆葦炭桿負(fù)載對(duì)TiO2的光催化性能。

(1)在TiO2中摻雜0.5at%、1at%和2at%的N元素，粒徑分布實(shí)驗(yàn)表明1at% N元素的摻雜減小了TiO2粒徑，分布范圍在400～500 nm之間，而0.5at%和2at%的N摻雜反而使TiO2粒徑增大，在相同體積情況下比表面積減小，不利于光催化性能的提升。N摻雜可以降低TiO2相轉(zhuǎn)變溫度，使得TiO2在550 ℃退火處理后出現(xiàn)降低光催化性能的金紅石相。因此，最優(yōu)N摻雜TiO2的條件為1at%，退火溫度為350 ℃。

(2)適量的N摻雜可以減小帶隙，有利于提高光催化降解率，當(dāng)N摻雜量為1at%，退火溫度為350 ℃時(shí)，TiO2對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率明顯更高。蘆葦炭桿為多孔的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其包覆1at% N摻雜的TiO2時(shí)，可以對(duì)亞甲基藍(lán)、苯酚、硝基苯和對(duì)氯苯酚都具有優(yōu)異的催化降解效果，其中，對(duì)亞甲基藍(lán)光降解性能可達(dá)92%。