掺铁TiO2-活性炭复合材料的制备及其光催化活性.pdf
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1、第 3 6 卷第 4 期 2 o 0 8年 4月 同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)J O U R NA L O F T O N G J I U NI V E R S I T Y(N A T U R A L S C I E N C E)V0】3 6 No 4 Ap t 2 0 0 8 掺铁 T i O2 一活性炭复合材料的制备及其光催化活性 甘礼华,刘明贤,张霄英,陈龙武(同济大学 化学系,上海2 0 0 0 9 2)摘要:通过浸渍法将掺铁 T i 0 2 溶胶负载到活性炭上制备掺铁 T i 0 2 一 活性炭复合光催化剂材料,并对其结构特征、吸附特性、可见光光催化活性和再生性能进行
2、研究 结果表明,掺铁 T i 0 2 一 活性炭复合材料具有很大的比表面积,对 有机污染物具有优越的吸附性能,而其比表面积则随着掺铁 T i 0 2 一 活性炭的质量比的增大而逐渐减小 在可见光 下,复合光催化剂材料由于 F e 3 的引入 T i 0 2中,对亚甲基蓝溶液具有高的光催化活性,其中经过 5 0 0热处理的 载钛量为 5(质量分数)的复合光催化剂材料的光催化活性最佳 复合光催化剂具有优越的再生性能,经再生处理 可多次重复使 用 关键词:复合材料;可见光光催化活性;制备;掺铁 T i 0 2 溶胶;活性炭 中图分类号:T Q 1 3 4 1 文献标识码:A 文章编号:0 2 5 3
3、 3 7 4 X(2 0 0 8)0 40 5 3 8 0 5 Sy n t h e s i s a n d Ph o t o c a t al y t i c Ac t ivi t y o f F e -d o p e d Ti 02 -Ac t i v a t e d Ca r bo n Co mp o s i t e Ma t er i a l s Res p o n s e t o Vi s i b l e Li gh t CAN Li h u a,L,M i n g x i a n,Z HANG a o y i n g,C HE N L o n g wu (D e p a r t m
4、e n t o f C h e mi s t r y,T o n g j i Un i v e r s i t y,S h a n g 2 0 0 0 9 2,C h in a)A b s t r a c t:F e-d o p e d Ti o2-a c t i v a t e d c a r b o n c o mp o s i t e p h o t o c a t a l y s t ma t e r i a l s we r e s y n t h e s i z e d b y i mme r s i n g a c t i v a t e d c a r bo n i n t o
5、 F e d o p e d t i t a n i a h y d r o sol s,a n d t h e i r s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i z a t i o n,a d sor p t i o n p r o p e r t y,v i s i b l e l i g h t p h o t o c a t a l y t i c a c t i v i t y an d r e g e n e r a t i v e a b i l i t y we r e a l s o i n v est i g a t e d I t i
6、 s f o u n d t h a t Fe-d o p e d Ti o2 一 a c t i v a t e d c a r bo n c o mp o s i t e ma t e r i a l s h a v e a g o o d a d sor p t i o n c a p a b i l i t y o f t h e a d sor p t i o n o f o r g a n i c p o l l u t an t d u e t o t h e i r h i g h s p e c i f i c s u r f a c e are a s,wh e r e a
7、 s t h e i r s p e c i f i c s u r f a c e are a s d e c r e a s e wi t h t h e i n c r e a s e o f i n a&s r a t i o o f F e-d o p e d Ti o2 and a c t i v a t e d c a r bo nC o mp o s i t e p h o t o c a t aly s t ma t e r i a l s d i s p l a y h i g h l y p h o t o c a t aly t i c a c t i v i t y
8、u n d e r v i s i b l e-l i g h t f o r d e g r a d a t i o n o f me t h y l e n e b l u e(MB)o wi n g t o t h e i n t r o d u c t i o n o f i r o n(1 1 I)i o n i n t i t ani u m d i o x i d e T h e comp o s i t e p h o t o c a t aly s t ma t e r i als p r e p are d f r o m 0 0 5 o f ma s s r a t i
9、o o f F e-d o p ed Ti o2 t o a c t i v a t ed c a r bo n an d h e a t t r eat me n t a t 5 0 0 h a v e o p t i mu m p h o t o c a t a l y t i c a c t i v i t y for M B S d e g r a d a t i o n u n d e r v i s i b l e-l i g h t Th e comp o s i t e ma t e r i a l s e x h i b i t a r e mark a b l e r e
10、g e n e r a t i v e a b i l i t ywh i c h ma k es t h e m r e u s a b l e Ke y wo r d s:c o mp o s i t e ma t e r i a l s;v i s i b l e l i g h t p h o t o c a t aly t i c a c t i v i t y;s y n t h e s i s;F e d o p ed Ti o 2 h y d r o sol s;a c t i v a t e d c a r bo n 收稿 日期:2 0 0 60 90 5 基金项目:国家自
11、然科学基金资助项目(2 0 4 7 3 0 5 7,2 0 6 7 3 0 7 6);上海市科委纳米专项(o 4 5 2 n m 0 8 8,0 6 5 2 ri m 0 3 0)作者简介:甘礼华(1 9 6 4 一),男,教授,博士生导师,工学博士,主要研究方向为胶体与界面化学、材料物理化学,E-ma il:g a n l h to r j io 由 m 维普资讯 http:/ 第 4期 甘礼华,等:掺铁 Ti02 一活性炭复合材料的制备及其光催化活性 自从 1 9 7 2年 F u j i s h i ma A和 Ho n d a K在半导 体 Ti O2 电极上发现 了水的光 电催化分解
12、作用以来,越来越 多 的科 研 人 员 对 T i O 2进行 了光 催 化 研 究_ 2-5 Ti o 2 光催化剂具有无毒、化学性能稳定、氧 化能力强、价廉、可 以重复使用等优点,在光催化 降 解有机污染物、自洁净材料等方面有着广阔的应用 然而,粉末状的 Ti O2 光催化剂在使用过程中存在的 分离与回收困难等 问题,成为其难以商业化的原 因 之一 Na k a s h i ma T等【6 J 将 Ti O2 粒子固定到聚 四氟 乙烯网片上研究了其光催化性能,取得 了良好的效 果 然而由于 Ti O2 只能被波长等于或小于 3 8 7 n n l 的近紫外部分所激发,而这部分光只占太阳光的
13、小 部分(小 于 5),因此 不 能充 分 利 用 太 阳光 A s a h i R等【8 通过掺氮制备 了 Ti o 2 一 N 薄膜 和粒 子,Yu J等 通过液相沉积法制备掺铁 Ti O 2 薄膜,这些都 明显地扩大了 Ti O2 对可见光的吸收范围,提 高了其光催化活性及效果 在 Ti O2 光催化降解有机气体污染物 的实际应 用中,吸附起着重要作 用,T i O 2 光催化剂首先通过 吸附作用将有机污染物富集,有利于提高光催化 降 解有机污染物 的效果 1 0-1 1 J 基 于对 吸附富集效果 和 光催化反应活性两方面的考虑,本文利用浸渍法将 掺铁 T i O 2 纳米微粒 负载到
14、具有高 比表面积的活性 炭上制备掺铁 T i O 2 一活性炭复合催化剂样品,对样 品的结构特 陛、吸附特陛进行表征,并考察在可见光 照射下掺铁 Ti O 2 一活性炭复合催化剂对亚 甲基蓝 的光催化降解活性及其再生性能 1 实验部分 1 1 复合光催化剂材料的制备与表征 称取一定量的硫酸氧钛 和氯化铁,在强烈搅拌 下溶于水得到 0 2 mo l LI 1 的含 F e 3 的硫酸氧钛溶 液,滴加质量分数为 7 的氨水,直至 p H=7 8 将 洗涤沉淀物洗净,加人适量 1 6 mo l LI 1 的硝酸溶 液进行胶溶,即得摩尔分数 X F e=0 0 5的掺铁 Ti O2 溶胶 按照一定的质
15、量比将掺铁 Ti O2 溶胶与颗粒状 活性炭混合均匀,在 9 0下烘干,即制得掺铁 Ti O2 一活性炭复合光催化剂样品 用扫描电镜(S E M,P h i l i p s X L 一 3 0)观测样品的 微观结构 用 Mi c r o me r i t i c s Tr i s t a r 3 0 0 0自动物理吸 附仪,通过布龙瑙 尔一 埃梅 特一 特勒(B r u n a u e r-E mme t t T e l l e r,B E T)氮气吸附法【1 2 3 测定 样 品的比 表面积、孔体积及孔径分布状况,测定前样 品在 5 7 3 K脱气处 理 2 h 分别 称取一定 量的活性炭、
16、掺铁 Ti(),一活性炭复合催化剂样品,装填到 u形石英管 中,连接气相色谱仪,稳定载气流速,用 甲苯作为吸 附质,每次进样 0 5,1,每隔 1 0 mi n进样一次,利用 气相色谱法测定样品对甲苯的吸附量,以考察活性 炭负载掺铁 Ti O2 前后样品的吸附性能变化 1 2复合光催化剂对亚甲基蓝降解的光催化活性 分别在 5份亚甲基蓝溶液 中加人经 3 0 0焙烧 的不同载钛量的掺铁 T i O 2 一活性炭复合催化剂,在太 阳光照射下进行光催化降解反应,用分光光度法测定 亚甲基蓝溶液的浓度,每隔 3 0 m i n取样 1 次 按上述 相同方法测定经过 3 0 0,5 0 0,7 0 0热处
17、理 的复合光 催化剂对亚 甲基蓝溶液降解的光催化活性 1 3 复合光催化剂的再生 将上述对亚 甲基蓝溶液降解 3 h以后的复合光 催化剂进行过滤,在 9 0烘箱中干燥后采用太 阳 光照射下使其再生,通过再 生样 品对亚 甲基蓝溶液 的光催化活性 的测定研究掺铁 Ti O2 一活性炭复合 光催化剂的再生性能 2 结果与讨论 2 1 复合光催化剂的形态与结构特性 掺铁 T i O 2 一活性炭复合光催化剂样 品的扫描 电镜(S E M)照片如图 1所示 从图中可以清晰观察 到 T i O 2 粒子在活性炭为载体 的复合光催化剂大孔 及表面的分布情况 活性炭一般有大孔、微孔和过渡 孔 3种孔洞,而本
18、文制得 的 Ti O2 粒子 的粒径在 3 0 6 0 D I T I,这些粒子不可能进人活性炭的大量微孔 内,而是主要集 中分布在活性炭的大孔 内和表面,而 且这些 T i O 2 纳米粒子相互聚结,本身也呈松散、富 有孔隙的团聚体结构,这种结构可能对 复合光催化 剂的比表面积和吸附性能影响并不明显 图 2是复 合光催化剂样品的 比表面积 S B 盯随掺铁 T i O2 一活 性炭质 量 比 r的变化情 况 随着活性炭 负载掺铁 Ti O 2 的质量增大,比表面积逐渐减小,例如无负载 的颗粒活性炭的比表面积为 8 4 2 m2 g,掺铁 Ti O 2 与活性 炭 的质量 比为 0 0 5时样
19、 品的 比表 面积为 8 3 0 r n 2 g,而当掺铁 Ti O 2 与活性炭的质量比达到 0 1 0时,比表面 积则下降到 8 0 8 m2 g 图 1的 S E M 照片还显示,活性炭大孔孔壁上存在着许多大 小不一的过渡孔,其中一些过渡孔的孔径在 1 0 0 n r n 左右,因此少量单分散 良好 的 Ti 0 2 纳米粒子就有可 能进人这些过渡孔中,造成对过渡孔的部分堵塞,从 维普资讯 http:/ 同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 3 6卷 而导致复合样品的比表面积有所下降 图 1 掺铁 T i O 2 活性炭复合光催化剂材料的S E M 照片 F i g 1 S c
20、 a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y(S E M)i ma g e o fF e-d o p e d Ti O2-a c t i v a t e d c a r b o n c o mp o s i t e p ho t o c at a l y s t ma t e r i a l s O 图 2 复合光催化剂的比表面随掺铁 T i O 2 与活性炭质量比 r 的变化关系 Fi g 2 Sp e c i fic s u r f a c e a r e a o f c om p os i t e pho t o c at a l y s
21、 t V S ma s s r a t i oof T i O z t o a c t i v a t e d c a r bon(r)从活性炭以及掺铁 Ti()7 一活性炭复合光催化 剂对 甲苯吸附的气相色谱测定结果可知,前 4次进 样的甲苯完全被活性炭所 吸附;当第 5次进样时才 开始出现色谱峰,之后 随着进样次数的增加峰面积 增大,直到第 9,1 0次进样色谱峰 面积不再 发生变 化,此时活性炭对甲苯的吸附已经达到饱和 已知活 性炭质量=0 0 1 0 0 g,甲苯密度 lD=0 8 6 6 g l 一,甲苯的每次进样量 V=0 5 0 1 测得吸附达 到饱和时峰面积 A=9 9 2 1
22、 1 7肚 V S,将第 5,6,7,8 次吸 附 时 的 峰 面 积 分 别 为 4 2 1 8 7,3 8 6 0 6 5,4 8 0 9 4 8,7 4 1 2 8 6 V S 代人下式:72 +(1 一a A)+(1 一b A)+(1一c A)V+p m 计算得到活性炭对 甲苯 吸附量为 3 1 6 8 2 g g 一 按照同样方法得到掺铁 T i O 2 一活性炭复合光催化 剂对 甲苯的吸附量为 3 1 0 1 1,u g g。掺铁 Ti O 2 一 活性炭复合光催化剂对甲苯的吸附量和活性炭对 甲 苯的吸附量甚 为一致,表 明在活性 炭上 负载掺铁 T i O 2 粒子并没有引起活性
23、炭的孑 L 结构、比表面及其 吸附性能的明显变化,这有利于复合光催化剂通过 吸附作用将有机污染物富集,提高它们对有机污染 物的光催化降解效果 经不同温度热处理的复合光催化剂 的 X射线 衍射(X R D)图谱如图 3 所示 虽然 3 0 0焙烧的掺 铁 T i O2 一活性炭复合光催化剂的 X R D图谱的谱线 相当弥散,但是仍然可以看出有一些衍射峰的存在,2 5 2 9。属 1 0 1面,3 7 8 6。属 0 0 4面,4 7 9 4。属于 2 0 0 面,与锐钛矿型 T i()7的特征衍射峰相一致 而与掺 铁 T i O 2 一活性炭复合光催化剂样品相 比,在相同温 度(3 0 0)下焙
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