纳米二氧化钛复合光催化的制备及其光催化活性的研究

赵丽敏，王 杰，张 鑫，贾春燕，王泽华，叶中天

（赤峰学院，内蒙古 赤峰 024000）

随着现代工业的迅速发展，在工业生产中排放了大量的高浓度废水.这些有毒废水排放到自然界中，不仅污染了环境，而且严重破坏生态平衡[1].特别指出的是，这些有毒废水含有偶氮染料以及它分解的产物，这些物质能导致癌变、畸形生长以及诱变的产生，这将威胁到人们的健康生活[2].因而，我们需要寻找到一个快速有效的方法，来处理工业废水.众所周知，TiO2这种半导体氧化物[3]，因为自身具有高光敏性、化学本身性质稳定性、成本低廉和无毒害等优点，可以作为消除空气和水中的污染物的高效光催化剂.除此之外，它还可以再生和循环再利用.与其他光催化剂做比较，TiO2几乎可以降解所有的有机物[4]，并且其具备降解速度快、氧化反应条件温、无选择性降解等优点.并且一些研究表明，研究者可以直接利用自然界中的太阳能进行光催化反应，使光催化反应在常温常压下进行，同时可以将工业废水中的有机污染物直接分解为CO2和H2O等小分子物质[5]，进而避免对水体二次污染.但是由于二氧化钛的还原电位较高，禁带宽度也较窄，因此只能吸收紫外光而被激发[6].而太阳光中，紫外光只占4.0%～5.0%左右，但是由于太阳光中的红外光和可见光不能被利用，导致在光催化过程中太阳能的利用率极低，因而不能获得较高的光利用率[7].

因此，我们通过上转光剂与纳米二氧化钛按照一定比例复合得到了一种具有可见光高光催化活性的光催化剂.与传统催化剂相比，我们合成的光催化剂在可见光的照射下降解有机物的效率大幅度提升.

1 研究内容

我们利用溶胶-凝胶法合成了上转换发光材料（在Er3+:Y3Al5O12）[8]，然后通过粒子混掺杂包覆的方法分别制备了具有可见光催化活性的Er3+:Y3Al5O12/Pt-TiO2复合物[9].通过紫外光发射光谱分别对制备得到的上转换发光材料和可见光光催化进行表征.在本文中，使用亚甲基蓝溶液作为模拟污染物来检验Er3+:Y3Al5O12/TiO2光催化活性[10].此外，本文还研究了上转光剂与光催化剂摩尔比例、热处理温度、热处理时间对其光催化活性的影响.

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

试剂：氧化铒、氧化钇、九水合硝酸铝、柠檬酸、浓硝酸、纳米二氧化钛、亚甲基蓝等.

仪器：马弗炉、电热鼓风烘干箱、UV-vis光谱仪、X-射线粉末衍射仪、电子天平、离心机、磁力搅拌器、超声波清洗器、扫描电镜等.

2.2 实验方法

2.2.1 上转光剂Er3+:Y3Al5O12的制备.将0.3798克氧化铒和0.6833克氧化钇分别溶于10毫升的浓硝酸中，磁力搅拌至溶液无色透明后再混合在一起.然后称取3.7513克九水合硝酸铝溶解在蒸馏水中，在室温下，慢慢加入稀土离子溶液中并用玻璃棒不断地搅拌.再称取12.6084克柠檬酸用蒸馏水溶解后一并加入稀土离子溶液中，在50-60℃加热磁力搅拌，当溶液出现粘稠状时停止加热.将得到的无色凝胶放入烘箱中控温80℃干燥36h后，将得到的白色固体在500℃煅烧50min,然后在900℃煅烧4h.最后，冷却至室温得到上转光剂

2.2.2 上转光剂Er3+:Y3Al5O12与光催化剂TiO2复合的最佳物质的量之比探讨.将上转光剂Er3+:Y3Al5O12和TiO2按照摩尔比为 0:100、1:100、3:100、6:100、12:100 混合并充分研磨，加入蒸馏水中，室温下超声30min后，加热煮沸30min，冷却至室温后120℃干燥4h，充分研磨后在550℃煅烧2h[12].得到Er3+:Y3Al5O12复合TiO2光催化剂.将100mg不同比例转光剂分别加入50ml甲基蓝溶液中，磁力搅拌30min.静止沉淀后，取上清液离心三次，测uv.如图1所示.

图1 在亚甲基蓝溶液中分别加入不同物质的量比的Er3+:Y3Al5O12与TiO2复合光催化剂的UV图

在紫外光谱中，紫外光的波长为10nm-380nm，波长在400nm-750nm的范围称为可见光谱.在可见光谱中，通过比较最大吸收波长的吸光度，吸光度越小，降解效率越好，可以得出：上转光剂与二氧化钛最佳物质的量之比6:100.

2.2.3 上转光剂Er3+:Y3Al5O12与光催化剂TiO2复合的最佳煅烧温度探讨.取三份Er3+:Y3Al5O12/TiO2（6:100）复合光催化剂，分别研磨，再加入适量蒸馏水先超声30min，然后煮沸30min，待冷却至室温后放入烘箱120℃干燥4h蒸干溶剂，放入马弗炉中煅烧温度分别为250℃、500℃、800℃，煅烧时间为3h.将得到的三种灰色粉末分别加入50mL甲基蓝溶液中，磁力搅拌30min.静止沉淀后，取上清液3500r/min离心三次，测UV.如图2所示.

图2 在亚甲基蓝溶液中分别加入不同煅烧温度 Er3+:Y3Al5O12/TiO26:100三种复合光催化剂的UV图

在紫外光谱中，紫外光的波长为10nm- 380nm，波长在400nm-750nm的范围称为可见光谱.在可见光谱中，通过比较最大吸收波长的吸光度，吸光度越小，降解效率越好，可以得出：上转光剂与二氧化钛最佳热处理温度为500℃.

2.2.4 上转光剂Er3+:Y3Al5O12与光催化剂TiO2复合的最佳热处理时间探讨. 取三份 100mg GO+100mg（6:100）TiO2：Er3+:Y3Al5O12分别研磨加入适量蒸馏水中超声30min，然后煮沸30min，待冷却至室温后放入烘箱120℃干燥2h蒸干溶剂，放入马弗炉中500℃煅烧（温度分别为1h、3h、5h）.

图3 在亚甲基蓝溶液中分别加入不同煅烧时间 Er3+:Y3Al5O12/TiO26:100三种复合光催化剂的UV图

将得到的三种灰色粉末分别加入50mL甲基蓝溶液中，磁力搅拌30min.静止沉淀后，取上清液3500r/min离心三次，测UV.如图3所示.

在紫外光谱中，紫外光的波长为10nm-380nm，波长在400nm-750nm的范围称为可见光谱.在可见光谱中，通过比较最大吸收波长的吸光度，吸光度越小，降解效率越好，可以得出：上转光剂与二氧化钛最佳热处理时间为3h.

3 结果与讨论

本实验首先采用溶胶-凝胶法煅烧制备了上转光剂Er3+:Y3Al5O12，然后采用煅烧法法制备了二氧化钛复合光催化剂Er3+:Y3Al5O12/TiO2.通过X-射线粉末衍射仪和电子扫描电镜对复合光催化剂进行表征.此外，我们还研究了以亚甲基蓝溶液作为模拟污染物来检验Er3+:Y3Al5O12/TiO2光催化活性与上转光剂含量比例、热处理温度、热处理时间对Er3+:Y3Al5O12/TiO2光催化活性的影响.在紫外光谱中，紫外光的波长为10nm-380nm，波长在400nm-750nm的范围称为可见光谱[13].在可见光谱中，通过比较最大吸收波长的吸光度，吸光度越小，降解效率越好，可以得出：上转光剂与二氧化钛最佳物质的量之比6:100，最佳热处理时间为3h，最佳热处理温度为500℃.

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