复合材料TiO2-Bi2O3的制备及光催化性能

史清华 ,赵婷婷 ,芦宝平, 董金龙

(太原师范学院 化学系，山西 太原 030031)

科研与开发

复合材料TiO2-Bi2O3的制备及光催化性能

史清华 ,赵婷婷 ,芦宝平, 董金龙

(太原师范学院 化学系，山西 太原 030031)

采用均匀沉淀法，以硫酸钛为前躯体，制备TiO2-Bi2O3复合粉体材料。以罗丹明B为目标降解物，研究了热处理温度、催化剂用量对该复合材料光催化性能的影响。光催化活性随焙烧温度升高而增大，550℃焙烧的样品光催化活性高。当催化剂用量为0.026g/10 mL 时，20 mg/L的罗丹明B溶液在紫外光照射100 min后，降解率可达到90%。该复合物对罗丹明B溶液的光催化降解符合一级动力学方程。

TiO2-Bi2O3；复合材料；光催化;罗丹明B

为了充分利用自然光降解污染物，科研者在提高光催化活性和扩大激发波长等方面做了大量的研究[1-2]。研究中发现，二元复合纳米材料中，两种半导体之间的能级差别能使电荷有效分离，从而使其激发波长延伸到了更大的范围，可达到可见光区[3-4]。在众多的半导体光催化材料中，TiO2具化学性质稳定、廉价易得、无毒且催化效率高等优点。但TiO2的固有缺陷限制了它的应用：(1)TiO2的带隙较宽，只能被波长小于386.5nm的紫外光激发，可见光不能被利用；(2)TiO2中光激发产生的电子与空穴容易复合，导致光量子效率极低，影响TiO2的光催化活性[5-6]。

解决此问题的研究集中于两方面：(1)对TiO2进行修饰，扩展有效光频率响应范围，提高太阳光的利用效率；(2)开发新型半导体光催化剂，要求其能被可见光激活，且具有高的光催化活性。

本文采用均匀沉淀法，以Ti(SO4)2为前躯体制备了TiO2- Bi2O3复合材料，以罗丹明B模拟废水为目标降解物，对其光催化活性进行了研究，得到了比较满意的结果。

1 实验部分

1.1 主要试剂和仪器

主要试剂：五水硝酸铋，硫酸钛，十二烷基苯磺酸钠(DBS)，罗丹明B，以上均为分析纯； 实验用水：二次蒸馏水。

主要仪器： 80-213型离心机(上海安亨科学仪器厂制造)；DHC-101-2A型电热恒温鼓风干燥箱(巩义市峪予华仪器厂)；78-1型磁力加热搅拌器(江苏常州国华电器有限公司)；7202B型分光光度计(上海尤尼柯仪器有限公司)；自制光催化反应器。

1.2 TiO2/Bi2O3光催化剂的制备[7]

取适量Bi(NO3)3·5H2O配制成Bi(NO3)2溶液，在搅拌条件下向其缓慢滴加6 mol/L NaOH溶液，将产物离心洗涤，得A；量取约30 mL Ti(SO4)2溶液，在搅拌的条件下向其缓慢滴加适量NaOH溶液，反应完后，将产物离心洗涤，得B；在搅拌下将适量6 mol/L H2SO4溶液缓慢加入到B中，反应完毕后，将产物离心洗涤，得C；取适量A与C混合，搅拌下向其中滴加适量的DBS溶液，充分搅拌后，用氯仿萃取，将萃取产物在马弗炉中热处理，处理得到不同焙烧温度下样品，备用。

1.3 光催化降解性能研究

光催化实验在自制的光催化反应器中进行。

罗丹明B初始质量浓度为0.2 g/L,每15 min取一次样，离心分离，取上层清液，测其在554 nm处的吸光度变化并计算降解率，降解率D(%)的计算：

D/%=(A0-At/A0)×100%

式中：A0为光照前的吸光度；At为光照时间为t时刻的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 焙烧温度对光催化活性的影响[8]

图1 不同焙烧温度的Bi2O3-TiO2的光催化降解曲线

图1为催化剂用量为0.03g/10mL 、质量浓度为20 mg/L罗丹明B的降解率随催化剂焙烧温度的变化情况。由图1可知, 虽然在400℃、450℃、500 ℃下进行热处理时, 掺Bi3+的TiO2的光催化性能差不多。但在400 ℃和450 ℃进行热处理时, 一些有机成分未被完全灰化。温度过低, 有机物灰化分解不完全, 由于吸附作用,使部分罗丹明B未被降解; 温度过高, 有利于TiO2晶化程度提高, 但会导致纳米颗粒的烧结或晶体进一步生长, 颗粒度增大, 导致纳米光催化剂的比表面积严重下降, 最终导致光催化效率下降。

2.2 催化剂用量对光催化活性的影响[9]

图2 光催化剂用量对光催化性能的影响

图2为掺Bi3+TiO2光催化剂的用量对光催化性能的影响图。从图中可以看出,光催化剂投加量低于0.026g/10mL时，随着催化剂投加量的增加，罗丹明B的降解率增大，当光催化剂量超过0.0260g/10mL以后，继续增加光催化剂，光降解率微呈减小趋势。这是因为催化剂用量较少时，光源产生的光子不能被完全转化为化学能，使得光子能量没有得到充分利用；适当增加催化剂用量，能产生更多的活性物种，加快光催化降解的反应速率；催化剂用量过多时，过多的粒子会产生光散射，使有效光强度减弱，从而影响光的吸收。所以得出加入光催化剂的最佳量为0.0260g/10mL。

2.3 光催化降解动力学

图3 罗丹明B溶液光催化降解动力学曲线

Fig.3 Kinetics curve of photo-degradation of rhodam inc-B

图3显示的是550℃焙烧温度下掺Bi3+的TiO2光催化剂对罗丹明B溶液光催化降解动力学曲线。由图可知，该降解过程符合动力学一级方程。

3 结论

采用均匀沉淀法制备了TiO2-Bi2O3复合材料催化剂, 该催化剂的热处理温度对光催化剂的光催化性能有较大影响；催化剂的用量在一定范围内对降解率也有较大影响；催化剂对罗丹明B溶液的光催化降解符合动力学一级方程。

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[5] 丁新宇,景晓辉,汤艳峰,等. 纳米TiO2-Bi2O3-La2O3复合材料的制备及光、电催化性能研究[J].精细化工 2008,25(6):532-535.

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(本文文献格式：史清华 ,赵婷婷 ,芦宝平, 等.复合材料TiO2-Bi2O3的制备及光催化性能[J].山东化工，2016，45(14)：1-2.)

Preparation and Photo-catalytic Properties of TiO2-Bi2O3Composite Material

ShiQinghua,ZhaoTingting,LuBaoping,DongJinlong

(Department of Chemistry, Taiyuan Normal University, Taiyuan 030031，China)

Bi2O3-TiO2composite material has been prepared by means of even precipitation method using Ti(SO4)2as precursors. The photo-catalytic activity of the catalyst was evaluated by method of catalytic degradation of rhodam inc-B. The effects of photo-catalytic activities of the composite material at different temperature, different amount of composite were investigated. With the calcining temperature increasing, the photo-catalytic activity is increased, and the best calcining temperature is 550℃.When the concentration of catalyst is 0.026g/10mL, the degradation rate reaches 90% for 20mg/L concentration of rhodam inc-B under ultraviolet irradiation after 100 min. The photo-catalytic degradation of rhodam inc-B meets first order kinetics equation.

TiO2-Bi2O3;composite material; photo-catalysis; rhodam inc-B

2016-05-16

2016年度山西省高校科技开发项目(项目编号：2016167)

史清华(1986—)，山西省翼城人，助理实验师，硕士研究生，从事化学教学和科研工作。

O643

A

1008-021X(2016)14-0001-02