TiO2介晶催化劑的制備與性能研究

摘要：利用三聚氰胺與偏鈦酸為主要材料，制備出g-C3N4/TiO2介晶催化劑，以此為基礎(chǔ)，通過X射線衍射、N2物理吸附、傅里葉紅外光譜、紫外可見光漫反射吸收光譜與熒光譜檢測等方式，對g-C3N4/TiO2介晶催化劑性能予以檢測。通過檢測發(fā)現(xiàn)，該催化劑的禁帶寬度較低，僅有2.42 eV，在紫外與可見光區(qū)間內(nèi)，都具有良好的吸收性，比表面積顯著提升，光生電子與空穴復(fù)合率降低，同時在500 ℃煅燒條件下，持續(xù)煅燒1.0 h，且g-C3N4與TiO2的比例在2∶1時，其可見光活性達(dá)到峰值；在30 min之內(nèi)，NOx的去除率較高，可以達(dá)到50.19%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)g-C3N4催化劑。

關(guān)鍵詞：g-C3N4/TiO2介晶催化劑；禁帶寬度；X射線衍射

工業(yè)化迅猛發(fā)展的今天，使得現(xiàn)代社會中的NOx污染問題越加嚴(yán)重，對人類生存及環(huán)境保護(hù)具有較大的危害。這一背景下，國內(nèi)外用各種方式對自然界中的NOx進(jìn)行處理，如吸附法等，在一定程度上降低了自然環(huán)境中NOx的含量。但需要注意的是，現(xiàn)有處理方法依然存在較多缺陷，如對設(shè)備要求較高，可能出現(xiàn)二次污染問題等，并未真正達(dá)到現(xiàn)代社會可持續(xù)發(fā)展的需求［1］。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸提出了一種應(yīng)用效果更加良好的NOx處理方法，即光催化技術(shù)。該技術(shù)中的主要材料TiO2介晶催化劑，與傳統(tǒng)催化劑相比具有更高的光催化活性，但該類型催化劑對禁帶寬度要求較高，在一定程度上又制約了它的應(yīng)用效果。所以，為了進(jìn)一步提升TiO2介晶催化劑在NOx處理中的應(yīng)用效果，需要在此基礎(chǔ)上，通過添加g-C3N4等材料，制造出更加先進(jìn)的g-C3N4/TiO2介晶催化劑。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

本次研究當(dāng)中，主要采用了以下設(shè)備與材料：由鑫苒化工生產(chǎn)的，含水量為60%的工業(yè)偏鈦酸［TiO（OH）2］；由廣奧生物科技生產(chǎn)的，等級為化學(xué)純級，質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過98.5%的三聚氰胺（C3H6N6）；由朝陽氣體生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)壓縮空氣與NOx。由賽多利斯生產(chǎn)的，型號為BSAGL124的電子天平，其測量精確性為0.1 mg；由冠博仕科技生產(chǎn)的，型號為GW1522的超聲震蕩儀；由馬力宇窯爐公司生產(chǎn)的，型號為LYL-16CMA-3的馬弗爐；由天虹儀表公司生產(chǎn)的，型號為TH-2201H的NOx分析儀。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1催化劑的制備

單因素試驗(yàn)時，以電子天平為主要工具，分別稱量出5 g的TiO（OH）2及10 g的C3H6N6，并放置到潔凈的坩堝內(nèi)。添加20 mL純凈水后，將混合溶液攪拌均勻，并放入到超聲震蕩儀中，振蕩處理0.5 h后，平均分成5份，并依次倒入5個坩堝內(nèi)，編號依次為1、2、3、4、5。將所有坩堝放置到馬弗爐內(nèi)，分別煅燒一定的時間后進(jìn)行檢測。檢測過程中，主要選擇了3個檢測指標(biāo)，分別為：（1）C3H6N6與TiO（OH）2的質(zhì)量比（M）。煅燒條件固定，溫度設(shè)置成450 ℃，時間設(shè)置成1.5 h，共設(shè)置5個等級的質(zhì)量比，分別是1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1。（2）煅燒時間（S）。溫度均設(shè)置成450 ℃，質(zhì)量均設(shè)置成1∶2，共設(shè)置6個時間等級，分別是0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h。（3）煅燒溫度（W）。時間均設(shè)置成1.5 h，質(zhì)量比設(shè)置成1∶2，共設(shè)置6個溫度等級，分別為350、400、450、500、550、600 ℃。與此同時，設(shè)置一個空白組，分別稱量出10 g的TiO（OH）2及10 g的C3H6N6，分別放入到6、7號坩堝內(nèi)，以此作為空白對照，材料煅燒時，溫度設(shè)置成500 ℃，時間設(shè)置成1.5 h。

正交試驗(yàn)時，采用正交表L9（34），結(jié)果通過極差分析，用于尋找出質(zhì)量比、煅燒時間、溫度的最佳組合。

1.2.2催化劑的表征

催化劑表征分析時，主要采用的是下述幾種方法：傅里葉變換紅外光譜法，儀器由萊頓科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)，型號為FTIR-850。紫外可見光漫反射吸收光譜法，儀器由虹科科技生產(chǎn)，型號為HK IndiGo OEM UV/Vis。X射線衍射法，儀器由通達(dá)科技公司生產(chǎn)，型號為TD-3500。比表面積分析法，儀器由貝士德儀器生產(chǎn)，型號為3H-2000A。PL熒光光譜法，儀器由卓立漢光公司生產(chǎn)，型號為OmniPL-LF325。

1.2.3催化劑的活性評價

活性評估實(shí)驗(yàn)中，將NOx當(dāng)作目標(biāo)反應(yīng)物，操作流程為：

（1） 準(zhǔn)備樣品。在潔凈的燒杯內(nèi)，添加0.10 g的樣品，并倒入30 mL的去離子水，將混合液放置到超聲震蕩儀后，震蕩處理10 min將試樣取出，并倒入到半徑為6 cm的玻璃圓盤上，在45 ℃條件下，對試樣烘干處理。

（2） 配置實(shí)驗(yàn)用氣。分別將標(biāo)準(zhǔn)空氣與NO氣體導(dǎo)入到光催化反應(yīng)器內(nèi)，其中，前者的流速設(shè)置成1.2 L/min，后者的流速設(shè)置成15 mL/min。在反應(yīng)器的另一端，與NOx分析儀相連，并將分析儀中的O3打開。

（3） 檢測與記錄。確保含有試樣的圓盤保持干凈后，將其放入光催化反應(yīng)器當(dāng)中。在NOx分析儀內(nèi)，將間隔時間設(shè)置成1 min以此對NOx予以檢測，共選取5個點(diǎn)，待NO質(zhì)量濃度處于520 μg/L時，將LED光源啟動，記錄下啟動時間，并觀測NO的初始質(zhì)量濃度。經(jīng)過一段時間分析，待NO質(zhì)量濃度再次達(dá)到平衡時，表示本次反應(yīng)結(jié)束，將LED燈閉合，記下閉合時間，觀測NO的質(zhì)量濃度。

2結(jié)果與討論

2.1最佳工藝的確定

通過L9（34）正交試驗(yàn)，可以得到如表1所示結(jié)果。通過該表的觀察能夠發(fā)現(xiàn)，M、S、W 3個指標(biāo)的極差R依次是2.53、4.49與5.42，由此表明，在3個指標(biāo)當(dāng)中，煅燒溫度W對材料活性的影響最為顯著，而質(zhì)量比M的影響最弱。由k值能夠發(fā)現(xiàn)，最好的組合是M2、S1與W3。即質(zhì)量比設(shè)置成1∶2，煅燒時間設(shè)置成1 h，煅燒溫度設(shè)置成500 ℃，并將該物質(zhì)命名成500-1.0-1∶2-C3C4/TiO2。

2.2X射線衍射（XRD）分析

通過XRD分析發(fā)現(xiàn)，若M設(shè)置成1∶3，介晶催化劑于2θ=27.4°時，呈現(xiàn)為g-C3N4特征峰，這時因C3H6N6脫氨后，出現(xiàn)了3-s-三嗪單元，之后通過聚合處理后，產(chǎn)生g-C3N4導(dǎo)致的。煅燒時間的不斷延長，溫度的逐漸升高，介晶催化劑中TiO2的特征峰越來越完整，但在g-C3N4方面，特征峰則不是很顯著，這是因?yàn)樵诮榫Т呋瘎┲?，g-C3N4含量過低，并未完全檢測而導(dǎo)致的。此外，于2θ=27.4°與2θ=25.3°時，分別體現(xiàn)了g-C3N4與TiO2的特征峰，由此表明，在該介晶催化劑當(dāng)中，同時包含了g-C3N4與TiO2兩類成分。

2.3傅里葉紅外光譜（FTIR）分析

通過FTIR分析可以發(fā)現(xiàn)，在所制備的催化劑及g-C3N4當(dāng)中，在3 100～340 cm-1內(nèi)，均存在很寬的吸收峰，這是因?yàn)樵趦煞N物質(zhì)內(nèi)，均存在芳香環(huán)缺陷位的NHx基團(tuán)導(dǎo)致的［2］。而在1 050 cm-1處，新材料與TiO2均發(fā)生了Ti—O—Ti鍵的伸縮振動。由此表明，新材料中同時包含TiO2、g-C3N4兩類材料。

2.4N2-物理吸附（N2-BET）分析

通過N2-BET分析可以發(fā)現(xiàn)，不論是TiO2、g-C3N4，還是制備出來的介晶催化劑，脫附等溫線都處于吸附等溫線之上，同時，在p/p0 00.6～1.0區(qū)間當(dāng)中，可產(chǎn)生清晰的H3吸附滯后回環(huán)，這是受到材料介孔形狀與尺寸導(dǎo)致的。同時，相對于兩種原材料來說，新催化劑的比表面積更大，孔徑更小，這是因?yàn)閮煞N原材料通過一系列處理時，出現(xiàn)了片層結(jié)構(gòu)螯合現(xiàn)象［3］。由此表明，相對于TiO2、g-C3N4來說，新材料的光催化活性出現(xiàn)了明顯改變。具體如表2所示。

2.5紫外可見吸收光譜（UV-Vis）分析

通過UV-Vis分析能夠發(fā)現(xiàn)，在紫外及可見光范圍中，新材料存在很強(qiáng)的吸收性，這是因?yàn)樵诳梢姽庹丈湎?，將材料中g(shù)-C3N4的電子激活，并轉(zhuǎn)移到TiO2上，以此提升了新材料的可見光響應(yīng)范圍。對于TiO2、g-C3N4來說，禁帶寬度分別是3.12 eV與2.70 eV，而在新材料當(dāng)中，禁帶寬度則是2.42 eV，減小幅度顯著，這是因?yàn)椴牧现刑砑觛-C3N4后，使材料內(nèi)出現(xiàn)了N→Ti配位鍵，以此優(yōu)化了催化劑內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)［4］。

2.6熒光光譜（FS）分析

通過FS分析能夠發(fā)現(xiàn)，在420～500 nm處，g-C3N4呈現(xiàn)發(fā)光峰，這與其自帶的2.70 eV相匹配。同時，在該光譜處，新催化劑也呈現(xiàn)出發(fā)光峰，但在強(qiáng)度方面則略有減弱，由此表明，在新制備的材料當(dāng)中，復(fù)合率明顯降低，以此構(gòu)建出更加良好的內(nèi)電場，賦予整個材料更強(qiáng)的光催化活性［5］。

3結(jié)論

以TiO（OH）2、C3H6N6為主要材料，制備出了g-C3N4/TiO2介晶催化劑，其中，兩種材料的質(zhì)量比設(shè)置成1∶2，煅燒時間設(shè)置成1.0 h，煅燒溫度設(shè)置成500 ℃。相對于傳統(tǒng)g-C3N4催化劑來說，新催化劑的催化效率明顯更高，可以達(dá)到51.19%，提高了1倍以上。同時，新催化劑的比表面積更大，禁帶寬度更低，當(dāng)吸收帶達(dá)到512 nm時，可出現(xiàn)更加顯著的紅移現(xiàn)象。而且電子與空穴復(fù)合率更低，可將光活性大幅度提升，可將其應(yīng)用到NOx處理領(lǐng)域。

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