水熱法合成不同形貌鈦酸鍶及其光催化性能研究

唐丹丹,徐 慢,2,王樹林,2,張佳杰

(1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430205;2.武漢工程大學(xué)湖北省環(huán)境材料與膜技術(shù)工程技術(shù)研究中心,武漢 430074)

自21世紀(jì)以來,我國(guó)印染行業(yè)一直在飛速發(fā)展。染料被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、印染和化妝品等行業(yè)。但是每排放1 t染料污水,就會(huì)污染20 t的水體。目前常見的處理染料污水的方法主要有混凝沉降法、生物法、超聲氧化法、試劑法等,但這些方法普遍存在處理費(fèi)用高、處理流程復(fù)雜等方面的不足[1]。因此,要解決染料污水的問題,應(yīng)該從實(shí)際出發(fā),尋找一種綠色環(huán)保且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的染料污水處理技術(shù)。近年來光催化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于有機(jī)污水處理。相比于傳統(tǒng)的污水處理技術(shù),光催化技術(shù)可以更加高效地降解水中復(fù)雜的污染物,且治理過程中只需要用到廉價(jià)的太陽能,節(jié)能環(huán)保且無污染[2,3]。

當(dāng)前，內(nèi)網(wǎng)安全已經(jīng)成為信息安全的焦點(diǎn)問題，內(nèi)網(wǎng)安全技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)也在發(fā)展與成熟的過程中，隨著企業(yè)對(duì)于安全性認(rèn)識(shí)的不斷加深，融合多項(xiàng)技術(shù)方案的內(nèi)網(wǎng)安全解決體系建設(shè)將成為內(nèi)網(wǎng)安全的主要發(fā)展目標(biāo)。

鈦酸鍶(SrTiO3)是典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),具有介電常數(shù)高、介電損耗低、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于陶瓷電容器、氣體傳感器和光催化材料等方面,是極有前途的介電和光催化技術(shù)的候選材料之一[4-6]。然而,光催化劑的要求增加了人們對(duì)高純度、低尺寸、窄分布和高活性的SrTiO3晶體的關(guān)注。在以往的研究中,許多方法都集中在納米線、管、空心結(jié)構(gòu)等的制備上。SrTiO3納米結(jié)構(gòu)已被證明可以提高材料的載流量和光敏性。盡管這些SrTiO3結(jié)構(gòu)具有合理的效率,但大多數(shù)合成過程對(duì)顆粒的形貌和分散性控制較差,這將影響其相應(yīng)的性能。實(shí)驗(yàn)采用水熱法制備SrTiO3納米粉體,通過煅燒、改變EG的量來控制SrTiO3的形貌,以MB模擬目標(biāo)污染物,用250 W高壓汞燈作為光源對(duì)MB進(jìn)行降解,從而對(duì)不同形貌SrTiO3納米粉體的光催化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 藥品

硝酸鍶(天津市凱通化學(xué)試劑有限公司)、異丙醇鈦(阿拉丁)、乙二醇(國(guó)藥集團(tuán))、氫氧化鈉(國(guó)藥集團(tuán))、亞甲基藍(lán)(國(guó)藥集團(tuán)),實(shí)驗(yàn)所用藥品均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 水熱法合成不同形貌鈦酸鍶

稱取一定量的異丙醇鈦加入到裝有乙二醇的燒杯中,磁力攪拌30 min,形成均勻溶液,即A液;再稱取Sr(NO3)2溶于水中,攪拌均勻,形成硝酸鍶水溶液,即B液;在劇烈攪拌條件下,將配好的B液以5 s每滴的速度緩慢滴加到A液中,滴定結(jié)束后持續(xù)攪拌一段時(shí)間,加入5 mL 4 mol/L的NaOH溶液作為礦化劑。充分?jǐn)嚢韬髮⑸鲜龇磻?yīng)溶液轉(zhuǎn)移到100 mL反應(yīng)釜中,封閉反應(yīng)釜后將其放入到180 ℃烘箱中熱處理反應(yīng)24 h合成SrTiO3。取出反應(yīng)釜,在空氣中自然冷卻到室溫,倒出產(chǎn)物,分別用去離子水和無水乙醇清洗多次,放入80 ℃烘箱烘干12 h,得到SrTiO3樣品。表1為不同配比的鈦酸鍶粉體樣品,樣品編號(hào)分別為PS1、PS2、PS3、PS4。

圖2為樣品PS1、PS2、PS3、PS4的XRD圖譜。由圖2中可知,在2θ等于32.3°、39.9°、46.4°、57.7°、67.7°、71.1°時(shí)出現(xiàn)衍射尖峰,與標(biāo)準(zhǔn)卡(JCPDS No.89-4934)對(duì)比后發(fā)現(xiàn),分別對(duì)應(yīng)于SrTiO3樣品的(110)、(111)、(200)、(211)、(220)、(310)晶面。因此,X射線衍射結(jié)果表明,水熱法可以得到純凈的SrTiO3,不會(huì)產(chǎn)生其他雜質(zhì)相。然而樣品的特征衍射峰強(qiáng)度PS3>PS1、PS4>PS2,這表明經(jīng)過煅燒后,SrTiO3結(jié)晶程度更高,其衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng);衍射峰強(qiáng)度PS2>PS1、PS4>PS3這表明EG的量越少,其結(jié)晶程度越高;相反,體系中EG占比量多,其結(jié)晶程度越低。

Arran這個(gè)旅游勝地給我留下了極好的印象。在我換鏡頭時(shí)，竟然在相機(jī)的鏡外罩中發(fā)現(xiàn)了一只被壓扁的蠓蟲，它們簡(jiǎn)直是無孔不入！

圖1(a)為PS1的掃描電鏡圖,從中可以看到SrTiO3粉體呈現(xiàn)海膽狀,這些海膽狀納米結(jié)構(gòu)是由更小的納米顆粒自組裝而成的,其粒徑分布在100～200 nm。圖1(b)為PS2的掃描電鏡圖,可以看到鈦酸鍶粉體呈現(xiàn)荔枝狀,其粒徑分布在20～200 nm。圖1(c)為PS3的掃描電鏡圖,與圖1(a)對(duì)比發(fā)現(xiàn),SrTiO3納米顆粒在800 ℃煅燒后,其由二維薄片構(gòu)成的分級(jí)結(jié)構(gòu)沒有塌陷,海膽狀的結(jié)構(gòu)變?yōu)楣饣那驙铑w粒。這些光滑的球狀顆粒更穩(wěn)定,粒徑分布也更加均勻,粒徑分布在50～150 nm。圖1(d)為PS4的掃描電鏡圖,與圖1(b)對(duì)比發(fā)現(xiàn),SrTiO3納米顆粒在800 ℃煅燒后,整體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變,粒徑分布更加均勻,其粒徑分布在30～100 nm。

1.3 表征方法

采用X-射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD)(D8 ADVANCE)表征樣品結(jié)構(gòu);采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(Field emission scanning electron microscope,FESEM)(GeminiSEM 300)表征樣品微觀形貌及粒徑大小;采用比表面積吸附儀(BET)來測(cè)定樣品的比表面積、孔徑和孔徑分布;采用UV2550型紫外-可見光分光光度計(jì)(Ultraviolet Spectrophotometer,UV-vis)表征樣品的光催化性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品形貌和結(jié)構(gòu)分析

實(shí)驗(yàn)以MB模擬目標(biāo)污染物評(píng)價(jià)合成樣品在可見光下的光催化活性。首先將0.1 g的SrTiO3固體催化劑分散到100 mL濃度為8 mg/L的MB溶液中。在汞燈照射之前,先將催化劑與MB混合物在避光條件下均勻攪拌30 min,以達(dá)到溶液的吸附平衡。30 min過后,用250 W高壓汞燈作為光源進(jìn)行照射,每隔30 min取5 mL光照溶液,用0.1 μm微濾濾紙進(jìn)行過濾。采用紫外-可見光分光光度劑對(duì)濾液中的MB濃度進(jìn)行測(cè)定,檢驗(yàn)波長(zhǎng)為660 nm,催化劑的光降解率為

2.2 樣品物相分析

毛澤東的一大工作特點(diǎn)是，當(dāng)著一項(xiàng)關(guān)系全局的重大任務(wù)剛剛提上日程的時(shí)候，他總是全神貫注地去解決它，別的事情（外事除外）可以暫時(shí)放在一邊，或者以較少的精力去顧及一下［4］1130。他對(duì)1961年全黨調(diào)查研究就是如此。他把這次全黨調(diào)查研究工作看作是解決當(dāng)時(shí)嚴(yán)重困難的著力點(diǎn)和突破口，因而自始至終給予諸多指導(dǎo)。

1.2.2 光催化活性測(cè)試

2.3 樣品BET分析

采用氮?dú)馕?解附等溫線分析PS1、PS2、PS3、PS4的BET比表面積和孔徑分布,如圖3和表2所示。根據(jù)IUPAC分類,4個(gè)樣品都具有IV型等溫線,曲線中出現(xiàn)H3型遲滯環(huán),說明樣品中納米顆粒有團(tuán)聚現(xiàn)象。從插圖可知,這四種材料的孔徑基本在10～50 nm,均為介孔、中孔材料。通過Multi-Point BET計(jì)算得到,PS1、PS2、PS3和PS4的比表面積分別是11.39 m2/g、48.60 m2/g、34.58 m2/g、65.41 m2/g。這些結(jié)果表明,在體系中EG占比量少的樣品和煅燒后的樣品比表面積大,表面的活性中心隨之增加,同時(shí)縮短了光生電子和空穴轉(zhuǎn)移到樣品表面的距離,從某種程度上也抑制了兩種載流子的復(fù)合,氧化還原反應(yīng)的效果增強(qiáng),光催化活性得到提高。

表2 PS1、PS2、PS3、PS的BET比表面積和孔徑尺寸

2.4 光催化性能測(cè)試分析

圖4為樣品PS1、PS2、PS3、PS4的光催化降解MB的性能曲線。對(duì)比發(fā)現(xiàn),在暗室攪拌30 min時(shí),PS1、PS2、PS3、PS4通過自身的吸附作用能使溶液中MB濃度分別降低至90.3%、80.6%、76.1%、77.6%;當(dāng)光照0.5 h時(shí),PS1、PS2對(duì)MB的降解率不到10%,而PS3、PS4對(duì)MB的降解率高達(dá)40%;當(dāng)光照2.5 h時(shí),PS1、PS2、PS3、PS4對(duì)MB的降解率分別為89.0%、91.4%、95.1%、99.5%。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),PS3對(duì)MB的降解率大于PS1,PS4對(duì)MB的降解率大于PS2,其原因在于,經(jīng)過煅燒后,樣品的結(jié)晶度更高,其光催化性能也更好;PS2對(duì)MB的降解率大于PS1,PS4對(duì)MB的降解率大于PS3,其原因在于EG會(huì)影響結(jié)晶度,當(dāng)EG的量偏少時(shí),其結(jié)晶度更高,光催化性能也就更好。

舟山電網(wǎng)是浙江省十一個(gè)地市電網(wǎng)中唯一的海島電網(wǎng)，通過4回220 kV交流線路、3回110 kV交流線路和±50 kV直流線路與大陸電網(wǎng)相聯(lián)，共擁有220 kV變電站5座，±200 kV柔性直流輸電工程換流站5座，110 kV變電站28座，35 kV變電站26座，用戶變26個(gè)[2]。

3 結(jié) 論

采用水熱法合成了兩種具有可控形態(tài)的SrTiO3層次結(jié)構(gòu),包括海膽狀和荔枝狀。通過調(diào)節(jié)混合溶劑的比例,SrTiO3的三維自組裝形貌得到了良好的控制。與海膽狀相比,荔枝狀的SrTiO3粉體表現(xiàn)出更高的光催化活性。此外,通過對(duì)樣品的煅燒前后光催化性能對(duì)比,發(fā)現(xiàn)煅燒后SrTiO3粉體的結(jié)晶度更高,其光催化性能也有很大提升。