Si-Ce/TiO2的制備及其光催化降解甲基橙的研究

　　由于TiO2具有價(jià)廉、無(wú)毒、高化學(xué)穩(wěn)定性、容易制備等特征，使用TiO2基光催化劑消除有機(jī)污染物日益受到人們的重視〔1〕。但是，純的TiO2的禁帶寬度為3.0~3.2 eV，只能在紫外線照射下才能激發(fā)，但紫外光只占太陽(yáng)光的3%~5%，45%的可見(jiàn)光部分沒(méi)有得到有效利用〔2, 3, 4〕。目前，提高TiO2可見(jiàn)光催化性能的較為有效的方法是過(guò)渡金屬離子摻雜。過(guò)渡金屬離子摻雜是通過(guò)物理或者化學(xué)方法，在TiO2的晶格結(jié)構(gòu)中摻雜過(guò)渡金屬離子，過(guò)渡金屬離子的f電子與TiO2相互作用，破壞了TiO2晶格結(jié)構(gòu)，形成了晶格缺陷，使得TiO2的光吸收向可見(jiàn)光方向移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)TiO2的可見(jiàn)光催化活性〔5, 6, 7〕。另外，為了提高TiO2的光催化活性，需要提高其比表面積，而硅的摻雜可顯著提高其比表面積〔8, 9, 10〕。為此，本研究采用水熱合成法制備出Si和Ce共摻雜TiO2光催化劑，利用XRD和TEM對(duì)制備的樣品進(jìn)行了表征，并利用制備的Si-Ce/TiO2在可見(jiàn)光條件下催化降解模擬廢水中的偶氮染料甲基橙，考察了該催化劑的可見(jiàn)光催化活性。該項(xiàng)研究旨在為染料廢水中一些有機(jī)物的綜合治理提供有效的途徑。

　　1 實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1 試劑與儀器

　　儀器：SHA-CA水浴恒溫振蕩器，常州華冠儀器制造有限公司;UV757CRT721 型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司;D8 ADVANCE型X射線衍射儀，德國(guó)Bruker公司;Hitachi-600-2 型透射電鏡，日本日立公司。

　　試劑：六水合硝酸鈰、正硅酸乙酯、乙醇、硝酸、甲基橙，均為分析純;鈦酸四丁酯，化學(xué)純。實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

　　1.2 光催化劑的合成

　　將Ce(NO3)3·6H2O溶解于pH=1的硝酸溶液中，并不斷攪拌，然后逐滴加入正硅酸乙酯，滴加完畢攪拌1 h后，再滴加鈦酸四丁酯，滴加完畢繼續(xù)攪拌2 h，然后將溶液轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，在140℃下反應(yīng)14 h。將生成的沉淀進(jìn)行抽濾、洗滌，然后在真空干燥箱中于80℃下干燥24 h。所得固體用研缽研磨為粉末后放入馬弗爐中，于500℃下焙燒4 h，即得Si-Ce/TiO2光催化劑。摻雜后的催化劑以Ce0.010Si0.10TiO2表示，其中0.010和0.10分別表示Ce(NO3)3、正硅酸乙酯與鈦酸四丁酯的物質(zhì)的量比。只摻雜Ce的TiO2制備過(guò)程中不加入正硅酸乙酯，所得樣品命名為Ce-TiO2;只摻雜Si的TiO2制備過(guò)程中無(wú)需加入Ce(NO3)3·6H2O，所得樣品命名為Si-TiO2。純TiO2制備則正硅酸乙酯和Ce(NO3)3·6H2O均不加。

　　1.3 光催化降解甲基橙

　　用去離子水溶解0.050 0 g 甲基橙，定容于 1 000 mL 容量瓶中，得到質(zhì)量濃度為50 mg/L的甲基橙水溶液。量取100 mL 上述溶液于250 mL錐形瓶中，加入0.1 g催化劑，放入恒溫振蕩器中于暗處震蕩1 h，然后以300 W氙燈照射。氙燈距離反應(yīng)溶液10 cm，400～700 nm以外的光用濾光片濾掉以保證可見(jiàn)光照射。反應(yīng)開(kāi)始后每隔1 h取樣，離心分離除去催化劑顆粒后，采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量甲基橙的含量，進(jìn)而計(jì)算甲基橙降解率。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 催化劑的表征

　　制備的TiO2、Ce-TiO2、Si-TiO2和Ce0.010Si0.10TiO2樣品的XRD及TEM表征結(jié)果分別如圖 1和圖 2所示。

  圖 1 制備的光催化劑的XRD

 
a—TiO₂；b—Ce-TiO₂；c—Si-TiO₂；d—Ce_0.010Si_0.10TiO₂。
圖 2 制備的光催化劑的TEM

　　由圖 1可知，所有樣品在20°～60°之間均出現(xiàn)了5個(gè)衍射峰，這5個(gè)衍射峰經(jīng)檢索分別對(duì)應(yīng)銳鈦礦TiO2的(101)、(004)、(200)、(105)和(211)晶面，說(shuō)明Si、Ce和Si-Ce的引入沒(méi)有改變TiO2的晶型結(jié)構(gòu)。另外，從圖 1還可以看出，添加了Si和Si-Ce后，(101)半峰寬變大，峰強(qiáng)度降低，說(shuō)明催化劑的晶粒變小，結(jié)晶度略有降低，而晶體顆粒變小，則樣品的比表面積會(huì)增大。

　　從圖 2可以看出，TiO2 和Ce-TiO2的團(tuán)聚均較為嚴(yán)重，但相比于TiO2，摻雜Ce的Ce-TiO2的團(tuán)聚程度略有降低。摻雜Si和Si-Ce的樣品的顆粒分散較好，說(shuō)明Ce的引入對(duì)樣品的分散度沒(méi)有太大影響，而Si的引入減小了TiO2在熱處理過(guò)程中的顆粒團(tuán)聚，提高了催化劑的分散性，增大了其比表面積，有利于催化劑光催化性能的提高。一般認(rèn)為，在其他反應(yīng)條件相同的情況下，催化劑分散性越好，則催化性能越高〔11〕。

　　2.2 可見(jiàn)光催化性能

　　考察了TiO2、Si-TiO2、Ce-TiO2和Ce0.010Si0.10TiO2在可見(jiàn)光照射下催化降解甲基橙的性能，結(jié)果如圖 3所示。

　　由圖 3可知，純TiO2在可見(jiàn)光照射下對(duì)甲基橙幾乎沒(méi)有降解，這是因?yàn)榧僒iO2對(duì)可見(jiàn)光沒(méi)有吸收，因而也就沒(méi)有催化活性。添加Si的Si-TiO2對(duì)甲基橙有一定的降解率，光照時(shí)間達(dá)到4 h時(shí)，甲基橙降解率約為10%，這主要是由于Si-TiO2的高比表面積對(duì)甲基橙吸附所致。摻雜Ce的Ce-TiO2的光催化活性則明顯好于Si-TiO2，這是由于Ce的引入，提高了其可見(jiàn)光吸收率，但由于Ce-TiO2顆粒團(tuán)聚較為嚴(yán)重，光照時(shí)間達(dá)到5 h時(shí)，甲基橙降解率也僅為50.2%。而Ce0.010Si0.10TiO2光催化劑在可見(jiàn)光照射5 h時(shí)，甲基橙降解率達(dá)到了95.3%，較Ce-TiO2有了很大提高。這是因?yàn)榻饘?Ce以Ce4+被引入到TiO2晶格中，而Ce4+可以有效地捕獲光電子，適當(dāng)量的Ce4+降低了光生電子與空穴的復(fù)合幾率，進(jìn)而提高了可見(jiàn)光催化活性;同時(shí)，Si進(jìn)入TiO2的晶格結(jié)構(gòu)，提高了顆粒分散度。所以，TiO2中Si和Ce的同時(shí)引入，既提高了可見(jiàn)光吸收率又提高了催化劑的比表面積，使得其具有較好的光催化活性。具體參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

 圖 3 不同催化劑在可見(jiàn)光照射下催化降解甲基橙的性能

　　3 結(jié)論

　　采用水熱合成法制備了Si和Ce共摻雜的銳鈦礦型TiO2。TiO2中Si的摻雜有利于提高顆粒的分散性; Ce以Ce4+被引入到TiO2晶格中，可提高催化劑的可見(jiàn)光催化性能。以制得的Ce0.010Si0.10TiO2光催化劑在可見(jiàn)光照射下催化降解甲基橙，結(jié)果表明，光照時(shí)間為5 h時(shí)，甲基橙的降解率達(dá)到了95.3%。