活性炭負(fù)載納米TiO₂的制備及其光催化性能研究

楊甜 石婷婷 王萱栒 范思璇 段志英

摘要：本文以鈦酸正丁酯為原料，以活性炭為載體，利用溶膠-凝膠法制備了活性炭負(fù)載納米TiO2光催化劑，并對(duì)光催化劑進(jìn)行了SEM、X-射線衍射儀和紅外光譜等表征實(shí)驗(yàn)，探討了活性炭負(fù)載納米TiO2光催化劑的實(shí)際效果和應(yīng)用前景。在模擬太陽(yáng)光照射下，以羅丹明B溶液作為目標(biāo)降解染料，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)試不同光催化劑的光催化性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：活性炭負(fù)載納米TiO2光催化劑（AC@TiO2-3）對(duì)羅丹明B溶液的催化降解效果最好，活性炭?jī)?yōu)良的吸附性能提高了對(duì)染料的降解作用。

關(guān)鍵字：溶膠-凝膠法;活性炭負(fù)載;二氧化鈦;可見(jiàn)光催化

中圖分類號(hào)：O643;X703

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，給工業(yè)帶來(lái)了更大的發(fā)展空間，同時(shí)環(huán)境污染問(wèn)題也日漸嚴(yán)峻[1]。TiO2光催化劑的催化活性高、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、環(huán)保無(wú)毒、使用壽命長(zhǎng)，用可再生的太陽(yáng)能作為光源來(lái)激活其光催化劑的活性[2][3]。但TiO2光催化劑回收和重復(fù)利用的困難限制了它的廣泛應(yīng)用。

多孔性材料負(fù)載TiO2光催化劑可以有效地解決這一難題。活性炭是一種經(jīng)特殊處理的炭，表面具有無(wú)數(shù)細(xì)小孔隙，比表面積大、吸附能力強(qiáng)[4][5]。活性炭原料充足，耐酸堿、耐熱，不溶于水和有機(jī)溶劑，是一種環(huán)境友好型載體，可以彌補(bǔ)單獨(dú)使用TiO2光催化劑的不足。

本文結(jié)合納米TiO2光催化氧化和活性炭的特點(diǎn)，活性炭作為載體，采用溶膠-凝膠法制備活性炭負(fù)載TiO2光催化劑[6]，探討納米TiO2光催化劑和不同比例的活性炭負(fù)載納米TiO2光催化劑的影響和效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 催化劑的制備

1.1.1活性炭載體預(yù)處理：稱取一定量的活性炭，加入到盛有去離子水的燒杯中（去離子水沒(méi)過(guò)活性炭），放在磁力攪拌器上攪拌10min后，用真空泵減壓過(guò)濾，于100℃的烘箱內(nèi)干燥2h，冷卻后備用。

1.1.2 取5ml鈦酸正丁酯，緩慢加入盛有10ml無(wú)水乙醇的錐形瓶?jī)?nèi)，在磁力攪拌器上攪拌30min，制得淡黃色澄清A液。

1.1.3 取1ml冰醋酸加入盛有2.5ml無(wú)水乙醇和1ml去離子水的錐形瓶?jī)?nèi)，并用濃鹽酸（約1-3滴）調(diào)節(jié)PH值，使其PH<3，制得B液。

1.1.4 在80℃水浴下，增大B液攪拌速度，劇烈攪拌下將A液用滴管緩慢滴入B液中（1min約5ml）。逐漸形成溶膠，繼續(xù)攪拌形成凝膠，將制得的凝膠產(chǎn)品于80℃烘箱內(nèi)干燥2h，再放入馬弗爐內(nèi)500℃下煅燒4h，即可制得到納米TiO2光催化劑，記為TiO2。

1.1.5 將預(yù)處理好的活性炭分別按0.5g、1g、1.5g、2g加入以上A、B混合液中攪拌，逐漸形成溶膠，繼續(xù)攪拌形成凝膠。將制得的凝膠產(chǎn)品于80℃烘箱內(nèi)干燥2h，放入馬弗爐內(nèi)氮?dú)獗Ｗo(hù)下500℃煅燒4h，得到活性炭負(fù)載納米TiO2光催化劑，分別記為AC@TiO2-1、AC@TiO2-2、AC@TiO2-3、AC@TiO2-4。

1.2 光催化劑性能測(cè)試

1.2.1 配置濃度為10mg/L的羅丹明B水溶液備用。

1.2.2 取0.05 g 光催化劑加入100m L羅丹明B溶液中，黑暗條件下充分?jǐn)嚢?0min，并取樣。

1.2.3 光催化性能測(cè)試在模擬日光燈（250W）下進(jìn)行，每隔10min取一次樣。

1.2.4 樣品離心分離后用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)試羅丹明B溶液的降解程度。

2 結(jié)果與討論

2.1 光催化劑紅外分析

在3400-3500cm-1之間出現(xiàn)強(qiáng)而寬的峰，這為氫鍵O-H締合的伸縮振動(dòng)，可能由于活性炭負(fù)載納米TiO2顆粒表面存在羥基基團(tuán)所致;1300-1400 cm-1的特征吸收峰可能為Ti-O、Ti-H伸縮振動(dòng)峰，AC@TiO2-4中活性炭含量高，TiO2含量低，紅外光譜特征峰逐漸變?nèi)?，逐漸趨于直線，接近于活性炭的紅外光譜圖。

2.2 光催化劑的形貌表征

將TiO2光催化劑和AC@TiO2-3光催化劑在掃描電子鏡顯微鏡（SEM）觀察，如圖 2圖 3所示。

從圖中可以直觀地觀察到凝膠狀態(tài)下TiO2光催化劑的表面形貌，TiO2凝膠較均勻地分布在活性炭表面，表面較為平整光滑，具有明顯的光澤。

從圖中可以看到AC@TiO2-3表面生成大量的孔道，易于吸附反應(yīng)物，為降解污染物提供了反應(yīng)場(chǎng)所，TiO2分散在活性炭表面及發(fā)達(dá)的孔道內(nèi)，形成較均勻的納米粒子。

2.3 光催化劑XRD分析

從圖中可以看出，生成了鈦礦型TiO2。2θ值為25.34°、38.04°、 48.10°、54.32°、62.90°和75.14°處的衍射峰分別對(duì)應(yīng)銳鈦礦型TiO2的（101）、（004）、（200）、（105）、（204）、和（215）晶面。由于AC@TiO2-4的活性炭含量較多，使得檢測(cè)到的銳鈦礦型TiO2衍射峰較弱，但依然可以看出來(lái)生成了銳鈦礦型TiO2晶體。

2.4 光催化劑活性測(cè)試結(jié)果

圖 5是光催化劑在模擬日光燈（250W）照射下降解羅丹明B溶液的活性圖。

從圖可知，光催化活性為AC@TiO2-3> AC@TiO2-4> AC@TiO2-2> AC@TiO2-1> TiO2。AC@TiO2-3 光催化劑吸附作用最強(qiáng)，催化活性最好，光照60min，對(duì)羅丹明B溶液的降解率可以達(dá)到96%。反應(yīng)結(jié)束后，過(guò)濾催化劑并干燥焙燒，重復(fù)使用3次，催化活性幾乎沒(méi)有降低。說(shuō)明所制得的催化劑性能優(yōu)良，二氧化鈦在活性炭載體上附著牢固，沒(méi)有流失。該光催化劑易于分離和重復(fù)使用，具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

本文利用溶膠—凝膠法，以鈦酸正丁酯為原料在活性炭表面負(fù)載TiO2，得到了一系列光催化材料。X-射線衍射（XRD）分析表明TiO2晶相是銳鈦礦型的?；钚蕴康募尤朐黾恿舜呋瘎┑谋缺砻娣e，抑制了TiO2納米粒子的團(tuán)聚，提高了反應(yīng)物和催化劑的接觸面積，從而能夠提高降解效率，并且易于分離回收再利用?；钚蕴苛己玫奈叫阅?，增加了羅丹明B溶液在光催化劑表面的局部濃度，明顯地提高了催化劑的催化活性。本文中制得的活性炭負(fù)載納米TiO2光催化劑具有光催化活性高、化學(xué)性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、環(huán)保無(wú)毒、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，提高了TiO2光催化劑回收率和重復(fù)利用率，具有更廣泛的應(yīng)用前景。

中央高校本科生創(chuàng)新項(xiàng)目（XBMZ-BYL19046），以及甘肅省自然科學(xué)基金（2017GS10863）資助。

作者，楊甜，1999年生，西北民族大學(xué)化學(xué)工程與工藝學(xué)生。

通訊聯(lián)系人，段志英

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