氮掺杂二氧化钛光催化降解甲基橙的研究*

左玉香

（盐城师范学院 化学化工学院，江苏 盐城 224002）

锐钛矿型TiO2具有最好的光敏性，是广泛应用于水净化、空气净化、废水处理等环境处理的半导体催化剂之一[1，2]。1986年Sato S发现N的引入可使TiO2具更好的光催化活性，2001年Asahi R在Science上报道了N-TiO2光活性提高是由于N代替少量的晶格O使TiO2的带隙变窄[3]。印染行业废水因其高色度、强毒性、降解难的特点，成为水处理研究的热点。而偶氮染料的用量约占50%以上，甲基橙是具有代表性的一种，它易溶于水，性质十分稳定，用传统的生物法难以降解。本实验以尿素为N源，采用溶胶-凝胶法制备N掺杂TiO2，并用XRD、SEM对样品进行表征，考察了焙烧温度、通气量对N-TiO2光催化甲基橙活性的影响。

1 实验部分

1.1 样品制备

将10.0mL钛酸四丁酯溶于30mL无水乙醇中搅拌得溶液A；将一定量的去离子水及15mL无水乙醇、5mL HAc混合均匀得溶液B。将B缓慢滴加到A中后，加入5g尿素，继续搅拌1h，陈化12h后得N-TiO2凝胶，80℃下将前躯体烘干，研碎后在马弗炉350、500℃下煅烧3h，得到黄色N-TiO2催化剂粉体[5-8]。

1.2 催化剂标征

制备的样品用D/max23BX型X射线衍射仪分析物相，确定粉体的晶相结构；JEOL SM-5510LV扫描电镜观察掺杂粉体的颗粒形貌。

1.3 光催化性能测试

以250W高压汞灯（上海亚明）作为光源（提前10min打开，稳定光源），取0.1g催化剂样品，加入到100mL的甲基橙溶液中（未说明浓度均为10mg·L-1），避光搅拌30min后，放置在高压汞灯下继续搅拌，每隔0.5h取样，离心分离后，取上层清液用VIS-723型可见分光光度计测定甲基橙溶液在波长464nm的吸光度值，计算降解率D：

2 结果与讨论

2.1 XRD结果分析

图1是不同温度煅烧的N-TiO2黄色粉末广角XRD图谱。

图1 N-TiO2材料广角X射线衍射图谱Fig.1 Wide-angle XRD patterns of N-TiO2

由图1可知，所有衍射峰都完全与锐钛矿相TiO2一致（JCPDS-21-1272），图谱中未出现金红石及板钛矿特征峰，表明样品纯度高[4]，N的掺杂未引入新物种，其可能以填隙或置换方式高度分散在TiO2晶格内部[2]。500℃煅烧的样品衍射峰尖锐，且比350℃的强，煅烧温度升高有利于晶体发育和晶体结构的完美[5]。

2.2 SEM结果分析

图2为不同温度煅烧的N-TiO2黄色粉末的SEM。

图2 N-TiO2扫描电镜图谱Fig.2 SEM patterns of N-TiO2

由图2可知，350℃煅烧样品颗粒呈小球形，粒子分布不均匀，有部分团聚[6]；500℃煅烧样品表面呈蜂窝孔状结构，有利于增强反应物的吸附和生成物的脱附，这可能是其催化活性较高的原因。

2.3 煅烧温度对光催化活性的影响

350、500℃样品降解率见图3。

图3 煅烧温度对光催化甲基橙的影响Fig.3 Effect of calcined temperature on degradation of methyl orange

由图3可见，500℃煅烧的样品光催化性能比350℃要好，这与样品XRD及SEM表征结果一致。

2.4 曝气流量对光催化活性的影响

以500℃煅烧样品为催化剂，将曝气流量管通入光催化装置中，高压汞灯开启10min后开始通气，控制流量为1和5L·min-1，并与不曝气相对比，其对15mg·L-1甲基橙降解率影响见图4。

图4 曝气量对光催化甲基橙的影响Fig.4 Effect of aeration rates on degradation of methyl orange

图4说明低通气量有利于提高光催化反应速率，高通气量降解率略高于未通气反应。

3 结论

（1）采用溶胶-凝胶法，以尿素为N源，无水乙醇为溶剂，HAc为水解抑制剂合成了的N-TiO2光催化剂，500℃煅烧为纯锐钛矿相，且孔道密集，催化效果优于350℃煅烧的样品。

（2）通过控制曝气流量研究，说明适当的通入空气能有效提高光催化降解甲基橙的速率和降解率。

［1］Hoffmann MR,Martin S T,Choi W,et al.［J］.Chem.Rev.,1995,95（1）:69-96.

［2］TaoYu，XinTan，LinZhao［J］.JournalofHazardousMaterials，2010，176（1-3）:829-835.

［3］Xiang-Zhong Shen，et al.［J］.Applied Surface Science，2008，254（15）:4726-4731.

［4］Xu JX,Li L P,Yan Y J,et al.［J］.J.Colloid.Interf.Sci.,2008,318（1）:29-34.

［5］刘锦平,赵洪,宋晓莉,等.煅烧温度对二氧化钛光催化剂结构的影响［J］.无机盐工业，2009，41（9）：37-39.

［6］郑伟，朱裔荣，唐有根，等.氮掺杂SrTiO3的制备及其可见光催化产氢活性研究［J］.无机材料学报，2008，23（3）:443-449.