纳米TiO2粒子掺杂改性研究

赖华龙



纳米TiO2粒子掺杂改性研究

赖华龙

三明职业技术学院

在纳米TiO2光催化剂上担载SO42-和掺杂金属离子，不仅能提高光催化剂的光量子效率，还能提高可见光下的光催化活性。但是担载SO42-和掺杂金属离子的量存在过度担载的问题，如果担载量不适合，反而会降低光催化剂的光量子效率及其在可见光下的光催化活性。故有必要对各个影响因素的担载量问题进行优化选择。该文采用均匀设计方法U7(76)对纳米TiO2粒子掺杂Pr、Fe金属离子和担载SO42-后的光催化活性进行了研究，获得表观速率常数与各因素的关联方程，并得出最佳掺杂量。

纳米TiO2掺杂SO42-－Pr－Fe离子 担载量 均匀设计U7(76) 关联方程

1 引言

近年来，为了充分利用纳米TiO2在自然光下降解各类污染物，人们在提高TiO2的催化活性和扩大激发波长范围等方面作了大量的工作。目前研究较多的光催化剂改性技术包括：复合半导体、贵金属沉积、过渡金属离子掺杂、表面光敏化及非金属离子掺杂。其中贵金属及贵金属离子掺杂最为常用。本文按照均匀设计方法，采用表U7(76)研究共掺杂（Pr、Fe），以及担载SO42-的TiO2基纳米粉体优化工艺条件。

2 实验

2.1 实验试剂与设备

表1 实验试剂及设备

2.2 纳米TiO2粒子的制备

以溶胶－凝胶法制备，控制条件pH＝2.99，以超临界CO2干燥。

2.3 硝酸镨Pr(NO3)3的制备

称取一定量Pr2O3，逐滴加入68%的浓硝酸，待反应结束，将溶液静置数天，得到Pr(NO3)3溶液。将新制的Pr(NO3)3溶液置于烘箱中低温干燥，得到Pr(NO3)3·6H2O晶体。用蒸馏水将晶体溶解稀释制得Pr(NO3)3溶液。

2.4 制备SO42-/TiO2-（Pr，Fe）光催化剂

按均匀实验设计方法，采用表U7(76)考察Pr掺杂量、Fe掺杂量、SO42-担载量3个因素的不同导致光催化剂对罗丹明-B降解速率常数的影响，实验因素和水平见表2。

称取一定量纳米TiO2粒子，按表2配方进行等量掺杂，浸渍24h，并不断搅拌，用电热恒温干燥箱80℃下烘干样品并充分研细，将样品放在马弗炉中450℃煅烧3h。即得相应样品A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7。

表2 实验因素和水平

注：Pr3+：1.042×10-3mol/L；Fe3+：1g/L； SO42-：1mol/L

2.5 TiO2基纳米粉体光催化活性表征

由于太阳光作为光源时光照强度很难保持一致，为了考察光催化剂在可见光下的降解性能，在本实验中采用模拟可见光(Philips YPZ 220/15-S.RR型电子节能灯，功率15W，光通量950lm)作为光源进行光催化降解实验。

光催化降解实验在自制的光催化降解反应装置中进行，分别取50mg的A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7加入与模拟可见光距离0.4m处的石英玻璃杯中(石英玻璃槽内装50mL的罗丹明-B的水溶液)，压缩空气从杯底部吹入，以保持催化剂处于悬浮状态，间隔一定时间取样，用722型紫外—可见光谱仪(200～800nm)测定溶液中罗丹明-B在光照过程中表观吸光度A的变化。结果如图1所示。

图1 (Pr,Fe)共掺杂担载SO42-的样品对罗丹明-B光催化降解速率的影响

3 结果分析

光催化降解罗丹明-B过程中，表观吸光度的比A0/A(A0，A分别表示初始和时间时罗丹明-B溶液的表观吸光度)可以转换成C0/C(C0，C分别表示初始时和时间时罗丹明-B溶液的浓度)。图1是A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7粉体在降解罗丹明-B过程中ln(0/)～的关系，用=k对所得结果进行回归，表3给出回归结果、表观速率常数及其显著性检验结果。

表3 光催化特性参数

注：Pr3+：1.042×10-3mol/L ；Fe3+：1g/L； SO42-：1mol/L

根据表3的结果可知，第二组实验当Pr和Fe的掺杂量为别为0.5355mL，0.35mL，SO42-担载量为0.25mL时，改性SO42-/ TiO2- (Pr,Fe)光催化活性最佳。

将以上的结果输入计算机,利用SPSS11.5软件对实验数据进行多元回归分析，得二次回归方程模型：K=0.963 x12-0.879 x22+0.877 x32+0.234 x1x2-2.11 x1x3+0.553 x2- 0.045

对回归方程显著性检验结果见表4,将实验点的实验结果和方程计算结果作对比，结果见表5。

表4 　回归方程显著性检验

表5 实验结果与回归方程计算结果对比

从回归方程的显著性检验结果得知，回归方程式相关性很高，具有显著性意义，将实验结果与回归方程计算结果对比可知，二者相差甚少。在实验范围内通过微粒群算法得出优化值为Pr掺杂量0.560mL，Fe掺杂量0.389mL, SO42-担载量0.230mL。将优化值代入回归方程得K=0.1652 ,结果在估计范围内,说明实验设计正确，该优化方法所得结论具有可信性。

4 结论

由以上分析可知，在纳米TiO2光催化剂上担载SO42-和掺杂金属离子Pr、Fe，能显著提高光催化剂的光量子效率。表观速率常数K与各因素的关系为：K=0.963 x12-0.879 x22+0.877 x32+0.234 x1x2-2.11 x1x3+0.553 x2-0.045，其中x1为Pr掺杂量，x2为Fe掺杂量, x3为SO42-担载量。最佳掺杂量为x1=0.560mL，x2=0.389mL, x3=0.230mL。

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