鈦酸鍶制備條件的優(yōu)化對(duì)光催化性能的影響

姜 雷，譚 沖，左金龍，李俊生，劉 昊，董曉琪

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院，哈爾濱 150076；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 食品工程學(xué)院，哈爾濱 150076)

隨著人們生活水平的提高，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，尤其是水污染所帶來(lái)的危害已經(jīng)嚴(yán)重影響到人們的正常生活.開(kāi)發(fā)和研究一種新的清潔能源解決水污染的問(wèn)題，已經(jīng)迫在眉睫[1-5].光催化技術(shù)是目前一種新型的、無(wú)害型解決環(huán)境污染的技術(shù)手段，通過(guò)光的照射將水分解成氫氣和氧氣，是解決水污染問(wèn)題的有效手段之一[6-10].1972年，F(xiàn)ujishima[11]發(fā)現(xiàn)當(dāng)光照射在TiO2上時(shí)，可以使水不斷地發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，從此，拉開(kāi)了光催化技術(shù)的大門.與TiO2相類似，鈦酸鍶(SrTiO3)作為一種典型的鈣鈦礦，具有化學(xué)穩(wěn)定性高、組成元素豐富等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前景的光催化劑[12-13].

本實(shí)驗(yàn)致力于對(duì)SrTiO3制備條件的優(yōu)化，以亞甲基藍(lán)為模擬目標(biāo)污染物，探討了碳酸鍶與酒石酸的比例、煅燒溫度、煅燒時(shí)間對(duì)催化反應(yīng)的影響，對(duì)目前降解廢水程序復(fù)雜、成本較高等現(xiàn)狀具有重要的意義.

1 實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)試劑

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

BPJ-9023A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海和呈儀器制造有限公司)；電子天平(沈陽(yáng)亮衡天平有限公司)；250 W汞燈(上海毓美電子科技有限公司)；721型可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海光譜儀器有限公司)；磁力攪拌器(伊孚森生物技術(shù)有限公司)；馬福爐(上海洪紀(jì)儀器設(shè)備有限公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

酒石酸(C4H6O6)，碳酸鍶(SrCO3)，鈦酸丁酯(C16H36O4Ti)，亞甲基藍(lán).所有試劑均為分析級(jí)純.實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水.

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 SrTiO3的制備

采用溶膠凝膠法制備SrTiO3：將20 mL蒸餾水加入到100 mL燒杯中，然后取1.47 g碳酸鍶與適量酒石酸混合，在水浴溫度70 ℃的情況下攪拌20 min，配置成碳酸鍶與酒石酸的均勻混合溶液A.持續(xù)攪拌的同時(shí)，將3.4 mL鈦酸丁酯緩慢滴加到A溶液中，繼續(xù)攪拌，直至形成透明的均質(zhì)溶膠.將制備出的溶膠放置于烘箱中，80 ℃10 h，制得干凝膠.再將干凝膠置于坩堝中，放入馬弗爐中煅燒，并自然冷卻至室溫，將所得的白色粉末在瑪瑙研缽中研磨，即為SrTiO3.

2.2 亞甲基藍(lán)的配置

取1 g亞甲基藍(lán)粉末置于1 000 mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至標(biāo)線，得到1 000 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液.用移液管從中取出10 mL 亞甲基藍(lán)溶液至1 000 mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至標(biāo)線，得到10 mg/L的亞甲基藍(lán)溶液.以此類推制作出2、4、6、8 mg/L的亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液.亞甲基藍(lán)在可見(jiàn)光區(qū)的最大吸收波長(zhǎng)為660 nm，將722分光光度計(jì)在660 nm處調(diào)整吸光度為0，取2～10 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，測(cè)量其吸光度.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖1.

表1 標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)

圖1 亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線

由表1及圖1可知，亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度與660 nm處吸光度呈正相關(guān)，線性方程為：

y=0.069C-0.009(R2=0.999 1)

其中：y為吸光度，C為亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度.光降解率為：

光降解率(R)=

以此光降解率體現(xiàn)SrTiO3的光催化活性.

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

將定量的SrTiO3粉末加入到亞甲基藍(lán)溶液中，在光照射前將混合溶液在黑暗中均勻混合30 min，達(dá)到吸附平衡之后在250 W汞燈的照射，每隔2 h取部分混合溶液至離心管中離心，取上清液測(cè)量其吸光度值，根據(jù)亞甲基藍(lán)的吸光度變化分析降解情況.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 碳酸鍶與酒石酸的比例對(duì)光催化反應(yīng)的影響

在250 W汞燈照射10 h、亞甲基藍(lán)溶液的質(zhì)量濃度為5 mg/L、溫度在室溫情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探討碳酸鍶與酒石酸不同比例對(duì)光催化性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖2 碳酸鍶與酒石酸不同比例降解圖

由圖2可知，碳酸鍶與酒石酸的比例從1∶3開(kāi)始逐漸增大，當(dāng)比例達(dá)到1∶4時(shí)的光催化效率達(dá)到最高，隨后光催化效率又開(kāi)始下降.這說(shuō)明光催化反應(yīng)存在一個(gè)最佳值[14-15]，當(dāng)碳酸鍶與酒石酸的比例為1∶4時(shí)，光催化性能達(dá)到最佳.

3.2 煅燒溫度對(duì)光催化反應(yīng)的影響

在250 W汞燈照射10 h、亞甲基藍(lán)溶液的質(zhì)量濃度為5 mg/L、碳酸鍶與酒石酸的比例為1∶4、溫度在室溫情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探討不同煅燒溫度對(duì)光催化性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同煅燒溫度的降解圖

由圖3可知，隨著煅燒溫度的升高，SrTiO3的降解效率逐漸增強(qiáng)，在700 ℃時(shí)達(dá)到最佳.隨著煅燒溫度的繼續(xù)升高，SrTiO3的降解效率逐漸下降.由此可見(jiàn)，SrTiO3的最佳制備溫度為700 ℃，此時(shí)光催化反應(yīng)性能達(dá)到最佳.

3.3 煅燒時(shí)間對(duì)光催化反應(yīng)的影響

在250 W汞燈照射10 h、亞甲基藍(lán)溶液的質(zhì)量濃度為5 mg/L、碳酸鍶與酒石酸的比例為1∶4、煅燒溫度700 ℃、在室溫情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探討不同煅燒時(shí)間對(duì)光催化性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同煅燒時(shí)間的降解圖

由圖4可知，煅燒時(shí)間對(duì)SrTiO3的降解效率影響較大，隨著煅燒時(shí)間的延長(zhǎng)，SrTiO3的降解效率逐漸增強(qiáng)，且在煅燒時(shí)間為2.0 h時(shí)達(dá)到最佳值后又逐漸下降，說(shuō)明煅燒時(shí)間的最佳值為2.0 h，此時(shí)的SrTiO3光降解效率達(dá)到最佳.

4 結(jié) 論

1)通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)獲得了制備SrTiO3的最佳條件:碳酸鍶與酒石酸的比例為1∶4、煅燒溫度為700 ℃、煅燒時(shí)間為2 h，此時(shí)的SrTiO3光催化性能達(dá)到最佳.亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度為5 mg/L，10 h的去除率約為60.7 %.

2)對(duì)SrTiO3制備條件的優(yōu)化有助于改善目前SrTiO3制備程序復(fù)雜，且成本較高等現(xiàn)狀具有重要的意義.