江學(xué)良,郜艷榮,張玉婷,李晨健,鄧 琪
武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430205
二氧化鈦(titanium dioxide,TiO2)具有良好的光穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、價(jià)廉且無毒等優(yōu)點(diǎn),在凈化水、空氣及治理保護(hù)環(huán)境方面有著廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。TiO2由于禁帶寬度較寬,只能在紫外光照射下才有較好的光催化活性,對(duì)太陽光的利用率極低,難以在實(shí)際中生產(chǎn)應(yīng)用。為了有效利用太陽光,拓寬TiO2的光譜響應(yīng)范圍,使其具有可見光催化活性,需要對(duì)TiO2進(jìn)行改性研究[5-7]。摻雜是一種提高可見光催化活性最簡(jiǎn)單有效的方法,它可以有效抑制電子空穴對(duì)的復(fù)合幾率,提高光量子效率及TiO2表面的吸附能力,進(jìn)而增強(qiáng)TiO2的可見光催化活性。摻雜方法通常包括金屬摻雜和非金屬摻雜[8-9]。Li等[10]以乙二胺為氮源,采用溶膠凝膠法制備出N-TiO2。所制備的N-TiO2拓寬了在可見光內(nèi)的吸收范圍,并呈現(xiàn)出良好的光催化性能。Zhang等[11]用聚苯乙烯做為模板,通過溶膠凝膠法合成了N-TiO2空心球,測(cè)試結(jié)果顯示,在可見光下對(duì)羅丹明具有優(yōu)異的降解效果。Jiang等[12]以三聚氰胺-甲醛樹脂微球?yàn)槟0?,通過溶膠凝膠法制備出Yb-TiO2空心球,研究發(fā)現(xiàn)在可見光下對(duì)甲基橙的降解率達(dá)89%。
不同形態(tài)的TiO2有著不同的光催化性能。與TiO2粉體相比,具有空心結(jié)構(gòu)的TiO2具有低密度、高比表面積、良好的表面滲透性、高捕光效率等優(yōu)點(diǎn),光催化活性更加優(yōu)異[13-15]。空心球的制備方法種類繁多,主要分為無模板法和模板法兩種[16-17]。但無模板法難以控制產(chǎn)物的形態(tài)和尺寸,而由模板法制備的空心球不僅形態(tài)和尺寸可控,還能改變空心球的殼層厚度,因此,模板法制備空心球的應(yīng)用更為廣泛。
微波輻照法對(duì)比常用的加熱合成方式,具有反應(yīng)時(shí)間短、選擇性反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。本文以聚(苯乙烯-丙烯酸羥乙酯)[poly(styrene-hydroxyethyl acrylate),P(St-HEA)]共聚微球?yàn)槟0逯苽淞硕趸伩招那颍╰itanium dioxide hollow spheres,TiO2HS),并以水合肼為氮源,采用微波法對(duì)空心球進(jìn)行摻雜。最后用重鉻酸鉀溶液模擬廢水,研究了氮摻雜二氧化鈦空心球(nitrogen doped titanium dioxide hollow spheres,N-TiO2HS)在紫外光下的光催化性能。
十二烷基溴化銨(天津博迪化工有限公司,分析純),鈦酸四丁酯(上海實(shí)驗(yàn)試劑有限公司,化學(xué)純),無水乙醇(上海振興化工一廠,分析純),水合肼(上海振興化工一廠,化學(xué)純),二苯胺基脲(上海三愛思試劑公司,分析純),碳粉(工業(yè)品,鄭州阿爾法化工有限公司);聚苯乙烯-丙烯酸羥乙酯P(St-HEA)微球,實(shí)驗(yàn)室自制;去離子水,實(shí)驗(yàn)室自制。
將0.3 g已制備好的P(St-HEA)微球溶解于一定量的無水乙醇中,超聲分散10 min,再加入0.1 g十二烷基溴化銨,并攪拌均勻,然后將1 mL鈦酸四丁酯緩緩滴加至混合液中,加入少量去離子水,在80℃下恒溫反應(yīng)4 h,反應(yīng)冷卻至室溫后抽濾,并用無水乙醇和去離子水各洗滌3次,50℃下干燥12 h,得到P(St-HEA)/TiO2復(fù)合微球,再于 500 ℃下煅燒4 h,得到TiO2HS。
將適量的TiO2HS和碳粉混合均勻后置于培養(yǎng)皿中,再加入適量水合肼,將培養(yǎng)皿置于密閉容器中進(jìn)行微波輻照。最后用無水乙醇和去離子水各抽濾、洗滌3次,50℃干燥12 h,得到N-TiO2HS。
采用日本JEOL公司JSM-5510LV型掃描電子顯 微 鏡(scanning electron microscope,SEM)及JEM-2100型透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)表征樣品的形貌和尺寸;采用日本島津公司XD-5A型X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)儀分析樣品的晶體結(jié)構(gòu);用KRATOS XSAM-800型X光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscope,XPS)儀對(duì)微球表面進(jìn)行精細(xì)譜掃描;用島津mini-1240型紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定樣品的紫外-可見漫反射光譜(ultraviolet visible diffuse reflectance spectra,UV-vis DRS)。
將一定量的微波改性前后的TiO2HS分別加入50 mL燒杯中,加入1.6 mL重鉻酸鉀溶液,超聲5 min使試樣均勻分散。在上海艾測(cè)電子科技有限公司ZF7型三用紫外分析儀照射下進(jìn)行反應(yīng),光源距離液面20 cm,光照時(shí)間共120 min。取樣時(shí)加入15 mL水,離心,取5 mL上層清液,向上層清液中加入0.3 mL的H2SO4,再加入0.5 mL的二氯苯異氰酸酯溶液,立即搖勻,全部轉(zhuǎn)入10 mL比色管,測(cè)定其最大吸光度值。初始樣的濃度記為c0、吸光度值為A0,每隔0.5 h取樣,濃度為ct、吸光度值為At,降解率α=(A0-At)/A0×100%。
圖 1為 TiO2HS、N-TiO2HS的 SEM圖和 TEM圖。如圖1(a)所示,通過溶膠凝膠法制備的TiO2HS,粒徑大小均一,分散均勻,通過部分破裂的球可以看出其內(nèi)部是空心結(jié)構(gòu)。圖1(b)中的N-TiO2HS與TiO2HS在形貌和尺寸上并未發(fā)生明顯變化。圖 1(c)、圖 1(d)分別是 TiO2HS、N-TiO2HS的TEM圖,通過照片觀察到存在明顯的襯度,進(jìn)一步證明樣品是空心結(jié)構(gòu)。
圖1 樣品SEM 和TEM圖:(a)TiO2HS SEM,(b)N-TiO2HS SEM,(c)TiO2HS TEM,(d)N-TiO2HS TEMFig.1 SEM and TEM images of samples:(a)TiO2HS SEM,(b)N-TiO2HS SEM,(c)TiO2HS TEM,(d)N-TiO2HS TEM
圖2為TiO2HS和N-TiO2HS的XRD圖。由圖2可知,TiO2HS和 N-TiO2HS在衍射角 2θ為 25.37°、37.87°、48.05°、53.68°、62.59°、68.53°附近出現(xiàn)特征峰值,分別對(duì)應(yīng)銳鈦礦型的(101)面、(004)面、(200)面、(105)面、(211)面、(204)面和(116)面,特征峰與JCPDS(CARD No.21-1272)相一致,未出現(xiàn)其他雜峰。這表明經(jīng)過500℃、2 h熱處理后,TiO2HS和N-TiO2HS都是單一的銳鈦礦晶型。但N-TiO2HS的衍射峰強(qiáng)度稍弱于未摻雜的TiO2HS,這是由于在TiO2內(nèi)部或表面形成了N—Ti—O,阻礙晶粒間的接觸從而抑制了晶粒的生長(zhǎng)。
圖2 TiO2HS和N-TiO2HS的XRD圖Fig.2 XRD patterns of TiO2HS and N-TiO2HS
從圖3(a)中看出,與TiO2HS的XPS能譜圖相比,N-TiO2HS的XPS能譜圖中不僅有Ti、O、C元素特征峰,還有N元素特征峰,由此證明了樣品中含有Ti、O和N元素,其中C元素可能是反應(yīng)有機(jī)物殘留或者儀器污染所引起的。圖3(b)顯示了N-TiO2HS的Ti 2p圖譜,圖中在458.11 eV和463.86 eV處出現(xiàn)波峰,分別對(duì)應(yīng)Ti 2p3/2和Ti 2p1/2的特征峰,表明樣品中Ti元素主要以Ti4+的形態(tài)存在。由于N3-代替了O2-,引起電荷失衡,導(dǎo)致部分Ti4+還原為Ti3+,自由電子濃度增加,進(jìn)而提高了光催化的速率[18]。圖 3(c)顯示了 O1s的譜圖,圖中O1s譜圖分裂成2個(gè)峰,分別位于529.98 eV和531.18 eV。529.98 eV處的峰值對(duì)應(yīng)空氣中氧元素與TiO2中的Ti相結(jié)合形成Ti-O鍵,531.18 eV處的峰值對(duì)應(yīng)由氧空位產(chǎn)生的-OH鍵,說明氧元素是以O(shè)2-的形態(tài)存在。圖3(d)顯示了N1s的譜圖,能譜圖中在結(jié)合能為400.2 eV處出現(xiàn)了波峰,說明N元素以N3-的形態(tài)取代了原有的O2-進(jìn)入TiO2晶格中形成O-Ti-N鍵。
圖3 N-TiO2HS的XPS能譜圖:(a)全譜,(b)Ti 2p,(c)O1s,(d)N1sFig.3 XPS spectra of TiO2hollow spheres:(a)full-scale spectrum,(b)Ti 2p ,(c)O1s ,(d)N1s
圖4是TiO2HS和N-TiO2HS的UV-Vis DRS圖,從圖4中可以看出TiO2HS在波長(zhǎng)范圍為250 nm~350 nm之間有較強(qiáng)吸收,即在紫外區(qū)吸收較強(qiáng),但在可見光區(qū)吸收較弱。N-TiO2HS在波長(zhǎng)范圍為250 nm~550 nm之間有較強(qiáng)吸收,即在可見光區(qū)也有較強(qiáng)吸收,吸收帶明顯紅移,這可能是由于氮摻雜導(dǎo)致在TiO2的電子結(jié)構(gòu)中形成了雜質(zhì)能級(jí),縮短了禁帶寬度,從而提高TiO2的光催化性能。
圖4 TiO2HS和N-TiO2HS的UV-Vis DRS圖Fig.4 UV-vis diffuse reflectance spectra of TiO2HS and N-TiO2HS
圖5是氮摻雜前后TiO2空心球的光催化性能曲線。由圖5可知,氮摻雜前后TiO2空心球的降解率均隨光照時(shí)間的增加而增加,說明樣品能將重鉻酸鉀中的Cr6+催化還原為Cr3+。但在相同照射時(shí)間下,N-TiO2HS的降解效果明顯高于TiO2HS,當(dāng)照射時(shí)間為120 min時(shí),TiO2HS的降解率為70.5%,此時(shí)N-TiO2HS的降解率達(dá)95.8%。這說明氮摻雜提高了TiO2HS的光催化性能。
圖5 TiO2HS和N-TiO2HS的光催化性能Fig.5 Photocatalysis performances of TiO2HS and N-TiO2HS
本文通過微波輻照對(duì)TiO2HS進(jìn)行摻雜改性,成功制備出分散性良好、尺寸均一的N-TiO2HS。樣品的形貌、尺寸及結(jié)構(gòu)在摻雜前后未發(fā)生明顯改變,氮元素以N3-的形式取代O2-進(jìn)入TiO2的晶格結(jié)構(gòu)中形成了O-Ti-N鍵,產(chǎn)生雜質(zhì)能級(jí),縮短了TiO2的禁帶寬度,提高光催化性能。N-TiO2HS對(duì)重鉻酸鉀的降解率達(dá)95.8%,比TiO2HS提高了約25%。