光催化劑SO42-/Ni2O3-TiO2制備及可見(jiàn)光活性研究

張巍 丁鵬 李淑鈳 王馭文 滿彤彤 劉佳鑫

摘要：本文利用水熱合成法制備SO42-/Ni2O3-TiO2光催化劑。樣品結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)測(cè)試手段進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，該光催化劑主要由銳鈦礦TiO2和立方體的Ni2O3組成，SO42-既有螯合雙配位方式又有橋式雙配位的形式結(jié)合在Ni2O3-TiO2表面，并在Ti與Ni的摩爾比為1：0.05時(shí)的光催化劑具有更高的脫色效率，當(dāng)亞甲基藍(lán)初始濃度為2.5mg·L-1和催化劑用量為0.1g時(shí)，脫色效率可達(dá)98.65%。

關(guān)鍵詞：SO42-/Ni2O3-TiO2;光催化降解;亞甲基藍(lán)

中圖分類號(hào)：X505 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）05-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.05.076

Preparation of SO42-/Ni2O3-TiO2 composite photocatalyst and study on their visible light photocatalytic activity for methylene blue

Zhang Wei，Ding Peng*，Li Shuke，Wang Yuwen，Man Tongtong，Liu Jiaxin

（Chemistry College of Changchun Normal University，Changchun Jilin 130032，China）

Abstract：SO42-/ NI2O3-TIO2 photocatalyst was prepared by hydrothermal method. The results show that the photocatalyst is mainly composed of anatase TIO2 and cubic Ni2O3， and SO42-is bound to Ni2O3-TiO2 surface in the form of both chelated double coordination and bridged double coordination， when the molar ratio of Ti to Ni was 1：0.05， the decolorization efficiency of photocatalyst was 98.65% when the initial concentration of Methylene blue was 2.5 mg·l-1 and the dosage of catalyst was 0.1 g.

Key words：SO42-/Ni2O3-TiO2;Photocatalytic degradation;Methylene blue

光催化技術(shù)是一種可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的技術(shù)手段，而光催化技術(shù)可以有效地分解其他方式無(wú)法降解的有機(jī)污染物。因此研究高活性的光催化劑，成為一種能有效促進(jìn)有機(jī)污染物光催化降解的方法。本文通過(guò)水熱合成法制備了經(jīng)過(guò)SO42-修飾的Ni2O3-TiO2催化劑，并對(duì)所合成的光催化劑的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)進(jìn)行表征。用亞甲基藍(lán)作為模擬染料廢水進(jìn)行降解，并結(jié)合具體的表征結(jié)果，探究了SO42-/Ni2O3-TiO2光催化劑對(duì)染料廢水光催化活性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)所需試劑：正庚烷（C7H16）、正丁醇（C4H10O）、十二烷基硫酸鈉（C12H25SO4Na）、無(wú)水乙醇（C2H5OH）、鈦酸四丁酯（C16H36O4Ti）、硫酸鈦（Ti（SO4）2）、硫酸鎳銨（Ni（NH4）2（SO4）2）、氨水（NH3·H2O）、亞甲基藍(lán)（C16H24ClN3O3S），以上所需試劑均為分析純;實(shí)驗(yàn)室自制蒸餾水（二次）。

1.2 光催化劑的制備

1.2.1SO42-/Ni2O3-TiO2光催化劑合成

于15mL正庚烷中加入5mL正丁醇，將混合溶液搖晃均勻;稱取1g十二烷基硫酸鈉置于上述所得混合溶液中，攪拌均勻，制成溶液A。分別配制一定濃度的硫酸鈦和硫酸鎳銨溶液，按照不同的鈦鎳摩爾比例，將此兩種溶液滴加到快速攪拌的溶液A中，用氨水調(diào)節(jié)pH值為6，然后超聲分散30min，裝入內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼高壓反應(yīng)釜內(nèi)，160℃下水熱反應(yīng)2h，分別用無(wú)水乙醇和二次蒸餾水對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行洗滌，烘干，研磨。所得到的樣品粉末于300℃下焙燒2h，得到一系列光催化劑樣品。

1.2.2 Ni2O3-TiO2光催化劑合成

將10mL鈦酸四丁酯于劇烈攪拌的狀態(tài)下滴加到26mL無(wú)水乙醇中，得到淺黃色透明溶液A。將一定量的硫酸鎳氨、水和20mL的無(wú)水乙醇混合制得溶液B。再把溶液B于劇烈攪拌的狀態(tài)下滴入溶液A中，得到摻入Ni的TiO2溶膠，再用氨水調(diào)節(jié)pH為10，得到的溶膠烘干、研磨，在300℃下焙燒2h得到Ni2O3-TiO2樣品。

1.3 光催化降解實(shí)驗(yàn)

以亞甲基藍(lán)為目標(biāo)污染物模擬染料廢水，以350W氙燈作為可見(jiàn)光光源對(duì)該污染物進(jìn)行光催化降解的實(shí)驗(yàn)。將制備的光催化劑分散于一定濃度的亞甲基藍(lán)溶液中，在無(wú)光條件下攪拌30min，建立吸附脫附平衡。將溶液于氙燈下照射，3h后，用移液槍取溶液，離心后上層清液用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)試溶液的吸光度，并計(jì)算其脫色率，同時(shí)，做空白實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照。C0和Ct分別代表在初始時(shí)刻和t時(shí)刻溶液中亞甲基藍(lán)的濃度。脫色率計(jì)算公式如下：

脫色率（%）=[（C0-Ct）/C0]×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 物相與結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 熱分析

熱重分析是指在程序控制溫度下測(cè)量待測(cè)樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種分析技術(shù)，用來(lái)研究材料的熱穩(wěn)定性和組分。采用美國(guó)Mettler-Toledo公司的TGA/DSC 3+ 型同步熱分析儀對(duì)Ti與Ni摩爾比為1：0.05，并在300℃下焙燒的SO42-/Ni2O3-TiO2光催化劑進(jìn)行熱分析，結(jié)果在350℃到400℃之間，失去的是具有強(qiáng)結(jié)合力的SO42-。因此該光催化劑焙燒溫度不宜過(guò)高，否則導(dǎo)致樣品中的SO42-會(huì)大量流失，使得所制備的催化劑的光催化活性下降。

2.1.2 XRD分析

采用德國(guó)Bruck公司D8 GADDS型X射線衍射儀（Cu Kα，λ=1.54056?）對(duì)Ti與Ni摩爾比為1：0.05，300℃下焙燒的SO42-/Ni2O3-TiO2光催化劑進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果說(shuō)明光催化劑主要由銳鈦礦型TiO2和六方型Ni2O3組成。同時(shí)出現(xiàn)純六相結(jié)構(gòu)的TiS2的衍射峰T。

2.2 光催化性能分析

350W氙燈作為可見(jiàn)光光源，以亞甲基藍(lán)模擬染料廢水，對(duì)制備的

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光催化劑進(jìn)行了光催化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果可以看出，不同染料廢水初始濃度對(duì)光催化活性是有影響的。這與前文對(duì)光催化劑的形貌和結(jié)構(gòu)分析結(jié)果相一致，固體超強(qiáng)酸的加入能大大提高光催化劑的催化活性，這得益于SO42-的誘導(dǎo)效應(yīng)使金屬氧化物表面羥基具有強(qiáng)酸能力，這個(gè)誘導(dǎo)效應(yīng)使金屬與氧（M-O）鍵上的電子云發(fā)生偏移，增強(qiáng)光催化劑的光降解能力。

3 結(jié)論

（1）采用水熱合成法制備的固體超強(qiáng)酸復(fù)合型光催化劑SO42-/Ni2O3-TiO2，制備工藝簡(jiǎn)單，光催化效果良好。（2）經(jīng)固體超強(qiáng)酸改性過(guò)的催化劑其可見(jiàn)光活性明顯提高，這對(duì)處理染料廢水有較大的幫助。（3）當(dāng)亞甲基藍(lán)溶液的初始濃度為2.5mg·L-1，300℃焙燒的光催化劑的降解效率最高。

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收稿日期：2020-02-14

基金項(xiàng)目：2019年吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目 （201910205111）

作者簡(jiǎn)介：張?。?998-），男，漢族，長(zhǎng)春師范大學(xué)本科生，研究方向?yàn)榄h(huán)境污染控制。

通訊作者：丁鵬（1974-），女，回族，博士，副教授，研究方向?yàn)榄h(huán)境污染控制及納米功能材料。