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納米復(fù)合材料Ag/MxOy-TiO2(MxOy=ZnO、Al2O3和Fe2O3)的制備及其微波輔助光催化降解甲基橙

2011-09-15 11:44莉陸趙月紅李恩帥
無機(jī)化學(xué)學(xué)報 2011年3期
關(guān)鍵詞:催化活性染料孔徑

李 莉陸 丹 趙月紅 李恩帥

(齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,齊齊哈爾161006)

納米復(fù)合材料Ag/MxOy-TiO2(MxOy=ZnO、Al2O3和Fe2O3)的制備及其微波輔助光催化降解甲基橙

李 莉*陸 丹 趙月紅 李恩帥

(齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,齊齊哈爾161006)

采用溶膠-凝膠-程序升溫溶劑熱一步法,利用表面活性劑EO20PO70EO20(P123)作為模板劑,分別制備了三元納米復(fù)合材料Ag/ZnO-TiO2、Ag/Al2O3-TiO2和Ag/Fe2O3-TiO2。通過XRD、氮氣吸附-脫附測定、TEM以及掃描電子顯微鏡配合X-射線能量色散譜儀(SEM-EDS)等對合成的3種催化劑進(jìn)行了對比表征分析。結(jié)果表明,復(fù)合材料Ag/MxOy-TiO2中Ag以單質(zhì)形式存在并較好地分布在MxOy-TiO2表面上。所合成產(chǎn)物顆粒尺寸較小(約10 nm左右),形貌較好。其中,Ag/ZnO-TiO2的比表面積與Ag/Al2O3-TiO2十分相近,略大于Ag/Fe2O3-TiO2。光催化活性研究中,以甲基橙為模型分子且輔以微波場作用。結(jié)果顯示,上述三元復(fù)合材料的活性均明顯高于未摻雜銀的二元復(fù)合材料,其中Ag/ZnO-TiO2的光催化活性最好,在90 min內(nèi)對甲基橙的降解率高達(dá)86%。

Ag;微波;光催化;甲基橙

隨著染料和印染工業(yè)的迅猛發(fā)展,染料的種類和數(shù)量不斷增加,用于染料生產(chǎn)和應(yīng)用的染料廢水的成分也越來越復(fù)雜,同時由于它的難生物降解和難褪色等問題,使其成為水環(huán)境中重要的污染物之一,因此對染料的處理目前越來越受到人們的關(guān)注[1-4]。近年來,作為半導(dǎo)體材料的TiO2由于具有光電效應(yīng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、高活性、無毒、成本低等優(yōu)點,被譽(yù)為“環(huán)境催化劑”、“環(huán)保材料”等,其對很多有機(jī)污染物,如染料等應(yīng)用特別廣泛,并且達(dá)到了很滿意的效果[1,5-8]。但是,TiO2也存在著帶隙寬(3.2 eV)、可見區(qū)活性低、低產(chǎn)率、光生空穴-光生電子對的重結(jié)合率高和吸附能力差等缺陷,限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用[9-12]。因此,需要對TiO2進(jìn)行一定的改性,常用的方法有:貴金屬沉積、半導(dǎo)體耦合、光敏化、離子摻雜、雜多酸修飾和共摻雜等[13-18],而利用摻雜、沉降等制備多相納米復(fù)合材料以達(dá)到改性目的是目前研究的熱點。相關(guān)研究顯示,沉降法具有結(jié)構(gòu)不均一性、分散不均勻等缺點,而利用溶膠-凝膠-程序升溫將金屬或金屬氧化物摻雜到TiO2中,具有穩(wěn)定、不脫落、分布均勻等優(yōu)點,并且某些金屬或金屬氧化物能提高催化劑的穩(wěn)定性,阻止光生空穴-光生電子對的重結(jié)合,提高量子產(chǎn)率。此外,與傳統(tǒng)紫外燈光催化相比,微波光催化具有穿透力強(qiáng),能使催化表面·OH的數(shù)量增加,使催化劑表面的附加缺陷增多,延長電子-空穴對的分散壽命等優(yōu)點[19-21]。

鑒于上述因素,本工作采用溶膠-凝膠-程序升溫溶劑熱一步法,利用模板劑EO20PO70EO20(P123)將Ag 摻雜到二元體系 ZnO-TiO2、Fe2O3-TiO2、Al2O3-TiO2中(其中,鋅、鐵和鋁元素的物質(zhì)的量的比為 1∶1∶1),形成三元復(fù)合材料,從而提高以TiO2為基礎(chǔ)的二元復(fù)合材料的光催化性能。同時,在本文中,我們對Ag/ZnO-TiO2、Ag/Fe2O3-TiO2、Ag/Al2O3-TiO2三元 復(fù) 合物的結(jié)構(gòu)、表面形貌、組成等進(jìn)行了表征。另外,在反應(yīng)模型分子選擇時,我們考慮到甲基橙是偶氮類有機(jī)染料,屬于難降解的染料之一,比較適合于探討所合成的三元復(fù)合產(chǎn)物在微波輔助作用下的光催化活性,并進(jìn)行了上述復(fù)合產(chǎn)物的活性對比研究,獲得了較為滿意的結(jié)果。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

甲基橙(MO)為市售分析純,異丙氧基鈦(TTIP,98%)和正丁氧基鋯(80%)購于美國New Jersey公司,EO20PO70EO20(P123)購于美國Sigma-Aldrich公司,AgNO3、ZnSO4·7H2O、Fe2(SO4)3·xH2O 和 Al2(SO4)3·18H2O購于天津凱通化學(xué)試劑有限公司。其它化學(xué)試劑均為市售分析純,全部實驗用水均為二次蒸餾水。

1.2 三元納米復(fù)合材料的制備

1.2.1 Ag/ZnO-TiO2

原料分別為 AgNO3、ZnSO4·7H2O和異丙氧基鈦,最后所合成的粉末顏色為米白色。將0.7mmol P123溶于15 mL異丙醇中,快速攪拌至完全溶解,之后在攪拌下加入4 mL異丙氧基鈦,并繼續(xù)攪拌30 min左右,使之充分混勻,所得混合物記為A?;旌衔?B 是由 0.3 mmol的 AgNO3、0.3 mmol的 ZnSO4·7H2O、5 mL異丙醇和1.2 mL去離子水組成。在劇烈攪拌下將混合物B逐滴加入到混合物A中,至產(chǎn)生固體凝膠,該步驟為溶膠凝膠法,其將金屬及金屬氧化物均勻分散地?fù)诫s到TiO2。隨后將凝膠轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中,程序升溫至200℃(升溫速率為2℃·min-1),保持2 h。降溫后將產(chǎn)物取出并用去離子水進(jìn)行水洗處理以除去SO42-,然后放入真空干燥箱中升溫干燥,其溫度和時間分別為:40℃干燥24 h,60℃干燥 12 h,80℃干燥 2 h,100℃干燥 2 h,120℃干燥0.5 h。再將此粉末于馬弗爐中450℃下高溫煅燒3 h,即為復(fù)合材料 Ag/ZnO-TiO2。

在相同條件下,利用相同的制備方法合成其它的三元納米復(fù)合材料,其中,鋅、鋁和鐵3種元素的物質(zhì)的量的比例相同。

1.2.2 Ag/Al2O3-TiO2

原料分別為 AgNO3、Al2(SO4)3·18H2O 和異丙氧基鈦,最后所合成的粉末顏色為淡黃色。

1.2.3 Ag/Fe2O3-TiO2

原料分別為 AgNO3、Fe2(SO4)3·xH2O 和異丙氧基鈦,最后所合成的粉末顏色為土黃色。

1.3 催化劑的表征

樣品的XRD圖采用德國Bruker-AXS(D8)X射線衍射儀進(jìn)行分析,該儀器配備的是固體二維探測器和新型的NaI晶體閃爍計數(shù)器,輻射源為石墨單色器濾波的Cu Kα線,λ=0.15406 nm,靶電壓及電流為40 kV和40 mA,掃描范圍20°~80°。樣品的比表面積和孔徑采用美國康塔公司生產(chǎn)的Quantachrome NovaWin2型物理吸附儀在77 K進(jìn)行測定,以N2為載氣的Brunauer-Emmett-Teller(BET)法測定樣品的比表面積,用Barrett-Joyner-Halenda(BJH)模型計算孔徑分布及孔體積,測試前樣品在真空條件下150℃進(jìn)行脫氣8 h。樣品的TEM分析采用日立公司的H-7650透射電子顯微鏡,工作電壓為100 kV。樣品的SEM-EDS分析采用Hitach公司的S-4300掃描電鏡,工作電壓5 kV。用北京普析通用公司生產(chǎn)的TU-1901型紫外-可見雙光束分光光度計測定染料甲基橙的吸光度。

1.4 微波輔助光催化實驗

微波輔助光催化實驗中采用微波無極燈(MDEL)作光源,其紫外光譜發(fā)射區(qū)主要位于280 nm附近,功率為15 W左右,形狀為U型,微波反應(yīng)器輸出功率約為600 W。微波輔助光催化反應(yīng)裝置見我們以前的研究報道[22]。反應(yīng)中最佳實驗條件:甲基橙濃度為50 mg·L-1,體積為500 mL,催化劑用量為1.0 g·L-1。實驗中每隔一段時間取樣,采用TU-1901紫外-可見分光光度計在λ=463 nm處進(jìn)行吸光度測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的表征

2.1 .1 XRD檢測

為探測3種合成催化劑Ag/ZnO-TiO2、Ag/Al2O3-TiO2和Ag/Fe2O3-TiO2的晶型和晶粒大小,對其作了XRD檢測,結(jié)果見圖1所示。從圖1中可看出3種催化劑的XRD圖非常的相近,都在衍射角2θ為25.31°(101),37.90°(103、004 和 112),48.02°(200),54.64°(105)和 62.83°(204)處有明顯的衍射峰,而這些峰均為銳鈦礦TiO2的特征衍射峰(PDF 21-1272),這說明3種催化劑均以銳鈦礦型TiO2結(jié)構(gòu)為主。而在上述3種催化劑中都基本上看不到對應(yīng)的Ag、ZnO、Al2O3和Fe2O3的特征衍射峰,其原因可能是這些元素在制備過程中加的量很少,使得它們在檢測時很難被探測到,這與后面的SEM-EDS測試分析結(jié)果相一致。

通過XRD圖,根據(jù)Scheerer公式,利用TiO2特征衍射峰(2θ=25.3°)計算得到3種合成產(chǎn)物的顆粒平均晶體尺寸,所得結(jié)果見表1。從表1中可以看出,3種催化劑的晶體尺寸稍有不同,Ag/ZnO-TiO2的尺寸最小,而Ag/Al2O3-TiO2尺寸最大,同時與純TiO2相比,晶體尺寸明顯增大,其原因可能是利用溶膠-凝膠法摻雜金屬和金屬氧化物后,根據(jù)已有研究可知,Ag以單質(zhì)形式存在,并沉積在氧化物表面而未摻入其晶格中[23];Ti4+的離子半徑為68 pm,而Zn2+、Al3+和 Fe3+的離子半徑分別為 74、51 和 64 pm,它們的離子半徑與Ti4+不匹配,使金屬離子不太可能進(jìn)入到TiO2的晶格中(該結(jié)果可從XRD檢測中得到證實),更多可能以氧化物形式存在于TiO2表面。

2.1.2 TEM照片

為考察三元復(fù)合材料 Ag/ZnO-TiO2、Ag/Al2O3-TiO2和Ag/Fe2O3-TiO2的形貌特征,我們進(jìn)行了TEM測試,結(jié)果如圖2所示。從圖3中可以看到,3種催化劑的顆粒呈細(xì)圓形,尺寸都很小,大約在10 nm左右。圖2(a)為Ag/ZnO-TiO2的TEM照片,可以看到顆粒分布較均勻,Ag在ZnO-TiO2表面分散規(guī)則。由圖2(b)可見,Ag/Al2O3-TiO2的顆粒分布與Ag/ZnOTiO2的有些相似,Ag在 Al2O3-TiO2表面分散的較好。圖2(c)為Ag/Fe2O3-TiO2的TEM照片,可以看到部分催化劑顆粒分散一般,同時Ag在Fe2O3-TiO2表面有明顯的聚集現(xiàn)象,這將在一定程度上使其催化活性明顯降低。

表1 三元復(fù)合材料Ag/MxOy-TiO2的平均晶體尺寸Table 1 Average crystal size of three-component catalysts Ag/MxOy-TiO2

2.1.3 SEM-EDS分析

為了考察不同三元復(fù)合材料顆粒的化學(xué)均勻性和各元素的含量,我們對上述樣品分別進(jìn)行了SEMEDS分析,結(jié)果見圖3和表2。從圖3和表2中發(fā)現(xiàn),Ag/ZnO-TiO2、Ag/Al2O3-TiO2和 Ag/Fe2O3-TiO2均具有相對應(yīng)的4種元素,而不含碳元素,說明催化劑經(jīng)煅燒處理后模板劑P123已被全部除去。同時Ag/ZnO-TiO2和Ag/Fe2O3-TiO2的元素含量與理論投料比較接近,并且顆粒的化學(xué)均勻性也較好。而在Ag/Al2O3-TiO2的某些部位,鋁元素的含量檢測不到,但銀和鈦元素的含量正常(此數(shù)據(jù)未在表中列出);在Ag/Al2O3-TiO2的另外一些部位,鈦元素的含量則較少,銀元素的含量則較多,這與理論投料比產(chǎn)生了一定的差距,其可能原因:鋁元素的相對原子質(zhì)量較鋅和鐵元素的小,在制備過程中按相同原子物質(zhì)的量比進(jìn)行投料時,會使得在某些部位鋁元素的含量不好測定,而在聚集部分鋁和銀元素的量多,所以表現(xiàn)出一定的差距。

表2 三元復(fù)合材料Ag/MxOy-TiO2中各元素的含量Table 2 Contents of three-component catalysts Ag/MxOy-TiO2

2.1.4 N2吸附-脫附測定

圖4給出了三元復(fù)合材料 Ag/ZnO-TiO2、Ag/Al2O3-TiO2、Ag/Fe2O3-TiO2的 N2吸附-脫附等溫線和BJH孔徑分布曲線,從圖4(a)中可以看出3種催化劑的吸附-脫附等溫線類型很相似。根據(jù)IUPAC定義,它們的N2吸附-脫附等溫線均呈現(xiàn)Ⅴ型吸附曲線類型,可知合成產(chǎn)物為介孔結(jié)構(gòu)。這一類型的吸附一般較弱,隨著p/p0的增大沒有達(dá)到最大吸附,但能得到一定的多孔吸附劑。這一類型的吸附具有滯后環(huán),并且滯后環(huán)屬于H2型,是一復(fù)合孔結(jié)構(gòu),其特點是孔成瓶形狀或細(xì)口寬軀的毛細(xì)管狀[24]。從圖4(b)中可以發(fā)現(xiàn)3種復(fù)合材料的孔徑尺寸分布非常的相近,孔徑分布也較集中,這也能在一定程度上說明制備的催化劑孔徑比較均一,結(jié)構(gòu)均比較規(guī)整。上述結(jié)果可歸結(jié)于在制備過程中利用模板劑P123,且采用溶膠-凝膠法和200℃低溫程序升溫過程,其不但未破壞顆粒的結(jié)構(gòu),而且使復(fù)合材料具有更好的顆粒分布和均勻的粒徑尺寸。

表3是3種合成產(chǎn)物 Ag/ZnO-TiO2、Ag/Fe2O3-TiO2、Ag/Al2O3-TiO2的 BET表面積、BJH 孔徑和孔體積的對比數(shù)據(jù)。從表3中可以看出,Ag/ZnO-TiO2和Ag/Al2O3-TiO2的比表面積比較接近,且比Ag/Fe2O3-TiO2的比表面積略大,而它們的孔徑則相對于Ag/Fe2O3-TiO2的略小。上述結(jié)果與離子半徑、粒子尺寸和顆粒形貌有關(guān),首先,Ag/ZnO-TiO2的粒子尺寸比Ag/Al2O3-TiO2的略小,而Zn2+的離子半徑比Al3+的略大,兩者的共同作用導(dǎo)致Ag/ZnO-TiO2的比表面積和Ag/Al2O3-TiO2的比較接近;其次,雖然Ag/Fe2O3-TiO2的粒子尺寸與Ag/Al2O3-TiO2的比較接近,但Ag/Fe2O3-TiO2存在聚集現(xiàn)象,同時Fe3+的離子半徑又略大于Al3+,因此,Ag/Fe2O3-TiO2的比表面積小于Ag/ZnO-TiO2和Ag/Al2O3-TiO2。同時,平均孔徑對其也有一定的影響,一般來說,隨著孔徑的增大,其比表面積也會相應(yīng)的減少。

表3 三元復(fù)合材料Ag/MxOy-TiO2的比表面積、平均孔徑和孔體積Table 3 BET surface area,average pore diameter and pore volume for three-component catalysts Ag/MxOy-TiO2

2.2 微波輔助光催化降解甲基橙

通過在無極燈輔助微波作用下降解甲基橙染料的實驗,考察了3種催化劑的光催化活性,并與微波直接降解甲基橙(MWDP)以及相對應(yīng)的二元催化劑進(jìn)行了比較,所得結(jié)果見圖5。由圖5可見,在微波直解過程中,隨著微波時間的增加,甲基橙的濃度逐漸降低,說明微波無極燈輻射對染料有一定的降解能力(降解率為56%)。與微波直接降解甲基橙相比,ZnO-TiO2、Al2O3-TiO2、Fe2O3-TiO2以 及 Ag/ZnO-TiO2、Ag/Fe2O3-TiO2和Ag/Al2O3-TiO2均具有一定的光催化活性,并且復(fù)合材料中摻雜Ag之后,催化活性均有所提高,這說明Ag的加入能提高催化劑的催化活性,其可能原因:(1)Ag摻雜之后使催化劑的表面缺陷部位增多,提高表面吸附能力;(2)Ag同時能延長電子-空穴對的分散壽命,促進(jìn)界面電子的轉(zhuǎn)移,提高量子產(chǎn)率。由圖6還可見,在微波輻射90 min內(nèi),Ag/ZnO-TiO2的降解率達(dá)到86%,體現(xiàn)出很好的光催化活性;Ag/Al2O3-TiO2的降解率為81%,比Ag/ZnOTiO2差一些;而Ag/Fe2O3-TiO2的光催化活性最差,降解率只有75%。該實驗結(jié)果產(chǎn)生的原因可能為:第一,Ag具有電子阱效應(yīng)和表面等離子體效應(yīng),能阻止電子-空穴對的重結(jié)合,提高催化活性[25-27],因此,在二元體系中摻雜Ag,可以有效提高體系光催化活性;第二,Ag/ZnO-TiO2具有較高的催化活性是因為ZnO具有穩(wěn)定、高光敏性的特點,同時有些文章還報道ZnO在可見區(qū)具有一定的吸收[28-30],因此將Ag、ZnO和TiO2復(fù)合后產(chǎn)生了協(xié)同作用,提高了催化劑的光催化活性;第三,雖然Ag/ZnO-TiO2和Ag/Al2O3-TiO2的比表面積比較接近,并從TEM照片中看到,兩者的形貌也比較相似,兩者的光催化活性似乎應(yīng)比較接近,但二者實際有一定的差異,其原因我們認(rèn)為:在SEM-EDS分析中,Ag/ZnO-TiO2和Ag/Al2O3-TiO2的含量有些差別,即Ag與ZnO和Al2O3的作用有差別的結(jié)果;第四,從N2吸附-脫附等溫線中可以看到,Ag/ZnO-TiO2和Ag/Al2O3-TiO2的比表面積比Ag/Fe2O3-TiO2大,這使得前兩者與染料的接觸面積相對較大,更有利于甲基橙的降解,因此其活性高于Ag/Fe2O3-TiO2的光催化活性。

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Ag/MxOy-TiO2(MxOy=ZnO,Al2O3and Fe2O3):Preparation and Microwave-assised Photocatalytic Degradation of Methyl Orange

LI Li*LU Dan ZHAO Yue-Hong LI En-Shuai
(Faculty of Chemistry and Chemical Engineering,Qiqihar University,Qiqihar,Heilongjiang 161006,China)

The three-component nanocomposites,Ag/ZnO-TiO2,Ag/Al2O3-TiO2and Ag/Fe2O3-TiO2,were developed through a sol-gel-temperature solvothermal process in the presence of surfactant EO20PO70EO20(P123).The phase composition,structures and morphologies of three-component nanocomposites were well-characterized via XRD,TEM,N2adsorption-desorption and SEM attached X-ray energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS).The results indicated that silver species existing in the nano-composite was metallic Ag0and well distributed on the surface of MxOy-TiO2.The particle sizes of the three catalysts were very small(about 10 nm)and the morphologies were better.The BET surface area of Ag/ZnO-TiO2was very close to Ag/Al2O3-TiO2and a little larger than that of Ag/Fe2O3-TiO2.The photocatalytic activities of the as-prepared materials were studied by the microwave assisted photodegradation of methyl orange.The results indicated that the photocatalytic activities of the three-component nanocompositeswere higherthan those oftwo-componentnanocompositeswithoutsilverdoping.The photocatalytic activity of Ag/ZnO-TiO2was the best with a methyl orange degradation ratio of 86%within 90 min.

Ag;microwave;photocatalysis;methyl orange

O643.3

A

1001-4861(2011)03-0451-06

2010-08-24。收修改稿日期:2010-11-11。

黑龍江省自然科學(xué)基金(No.B200608),黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計劃項目(No.1152G052)資助。

*通訊聯(lián)系人。E-mail:qqhrll@163.com

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