磁性TiO2纳米晶体的制备及光催化性能分析

王涛

摘   要：纳米TiO2的光催化降解作用效率高，但存在回收困难的问题。用超顺磁性和耐腐蚀的铁磁性微粒作为载体，制成磁性包覆型纳米光催化剂既有普通悬浮光催化剂的高效性，又能通过磁性顺利收集，克服了悬浮状粉末回收困难的缺点。本文通过溶胶-凝胶方法将TiO2材料包覆在磁性粒子Fe3O4表面，制备在外界磁场下可被回收循环利用的光催化材料，并对材料光催化模拟性能进行分析。

关键词：磁性TiO2纳米材料  光催化反应  光度分析

中图分类号：O643.36                              文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0088-02

Abstract： The effect of nano TiO2 photocatalytic degradation efficiency is high， but the recovery is very difficult. With superparamagnetic iron magnetic particles and corrosion resistance as a carrier， we made of magnetic coating type nano photocatalyst. It not only has the efficiency of ordinary suspended photocatalyst， but also is collected easily through the magnetic， overcomes the difficulty of suspending TiO2 powder recovery. The TiO2 material is made in coating on the surface of Fe3O4 particles by sol gel method. It can be recycled  in the external magnetic field， and analysis the properties of material photocatalytic simulation.

Key Words： Magnetic TiO2 nano materials; Photocatalytic reaction; Spectrophotometry

光催化技术可利用太阳能降解有机物，无二次污染，反应条件温和，具有“节能”和“环保”双重重要意义。TiO2作为一种半导体光催化剂[2]具有氧化能力强，物理化学性质稳定，无毒、价格低廉等优点，然而TiO2的光响应范围较窄，并由于颗粒细微、不易沉淀而难回收，活性损失大，不利于催化剂的再生利用，从另一方面也降低了光催化效率。将纳米TiO2和Fe3O4粉末通过制备磁性光催化剂，可利用磁性分离技术方便快捷地回收，使其既能保持较高的光催化活性，又能多次再生利用。

1  实验仪器试剂

1.1 仪器

旋转蒸发仪、紫外-可见分光光度计、玛瑙研体1个，广口瓶2个，离心管2个，离心机1台，电子天平1台，超声仪器1台，烧杯1个、烧瓶1个，量筒1个，瓷坩埚滴液漏斗1个，烘箱1台，马弗炉1台，光催化反应装置1套。

1.2 试剂

FeCl3-6H2O，FeCl2-4H2O，氨水（1.5mol/L），甲基橙溶液（15mg/L），蒸馏水，钛酸丁酯，无水乙醇。

2  磁性TiO2的制备

2.1 Fe3O4的制备

称取0.85g FeCl3-6H2O与0.30g FeCl2-4H2O，用移液管向烧杯中转移10mL蒸馏水，通入氮气情况下将称取的FeCl3-6H2O与FeCl2-4H2O加入烧杯中。置于磁力搅拌机上剧烈搅拌，量取200mL1.5mol/L氨水，缓慢加入烧杯中，溶液中迅速产生黑色沉淀。一定时间后关闭磁力搅拌机，将沉淀的上层液体去除，反复加入蒸馏水，用磁铁在烧杯底部吸引，待沉淀完全后反复去除上层液体。待用AgNO3溶液检测去除的上层液体中不含Cl-时，将沉淀放到烘箱里干燥。制备反应方程式：FeCl3+FeCl2+NH3-H2O→Fe3O4+NH4Cl。

2.2 磁性TiO2的制备

安装旋转蒸发仪，称取0.5g上一步制备的Fe3O4，倒入50mL的圆底烧瓶中，用滴管和移液管分别量取2mL鈦酸丁酯和15mL无水乙醇，并依次加入圆底烧瓶中。将圆底烧瓶置于安装好的旋转蒸发仪上室温旋转1h使溶液与固体颗粒均匀混合，然后加热，温度计控制温度在80℃，除去乙醇（沸点为78.15℃）。然后进行磁性分离，将包覆性样品从样品中分离出来，放到马弗炉中，在300℃下煅烧1h，得到磁性TiO2。

3  磁性TiO2的光催化性能分析

3.1 甲基橙吸光度测量

称取0.050g制得催化剂放入100mL烧杯中，加入50mL蒸馏水，放置超声仪器中，设置超声时间为30min，使催化剂均匀分散。然后加入50mL配置的甲基橙溶液，加入磁转子，在避光条件下用电磁搅拌器搅拌30min。用离心管取出少许溶液放入离心机中，以4000r/min速度离心30min，然后将离心液放到300W紫外线下照射（距离液面约10cm），每隔30min取一次样，共进行3h，依次记为溶液2、3、4、5、6、7。用紫外分光光度计波长设置为463.5nm，以蒸馏水作为标准溶液，吸光度值设置为零，测量7个溶液的吸光度。吸光度如表1所示。

3.2 实验数据处理

（1）甲基橙降解率计算。

η=（c0-c）/c0，其中c0为光照前降解液浓度，c为降解后的浓度。

由于甲基橙溶液浓度和吸光度呈线性关系，所以降解脱色率又可以由吸光度计算，即η=（A0-A）/A0，其中A0为光照前降解液吸光度，A为降解后吸光度。根据所测吸光度数值计算甲基橙的浓度、剩余率与降解率如表2所示。

（2）作图。

以时间为横坐标，A/A1（A分别为7个溶液的吸光度，A1为溶液1的吸光度）为纵坐标，即得甲基橙的剩余率（C/C0）曲线，剩余率曲线如图1所示。

（3）通过实验曲线推测此光催化反应的反应级数。

该反应是个表面催化反应，假设纳米Ti02光催化降解甲基橙的反应是一级反应：即r=k1（a-x）;显然，以浓度ln（a-x）对时间t作图，时间t为横坐标，浓度ln（a-x）为纵坐标。得图为2。据图2可知，在0～3h中时ln（a-x）～t关系成一直线，因此符合假设，即磁性纳米TiO2光催化降解甲基橙的反应是一级反应。

3.3 实验数据分析

TiO2光催化的实验的主要影响因素进行分析：

（1）浓度的影响。

初始浓度越高脱色率越低，初始浓度与脱色率反相关是由于浓度越高光穿透溶液的能力越弱，能参与光催化氧化反应的光子数量减少;另外，浓度越高，更多的溶质质点被吸附在催化剂表面导致活性部位减少。

（2）灼烧温度的影响。

灼烧温度的提高会导致催化活性的降低[3]，因为灼烧温度的提高，会使二氧化钛比表面积减小，表面吸附量明显减少。另一方面，温度升高到一定程度时会导致二氧化钛的晶型由锐钛矿型向金红石型转变，使光催化率降低。

（3）催化剂加入量的影响。

研究者研究了催化剂加入量的影响[4]，结果表明：光催化剂用量较少时，光源产生的光子不能被完全转化为化学能，光子能量没有得到充分利用;适当的增加催化剂用种，提高光催化降解效率;但催化剂用量增加到一定程度时，过多的粒子会产生光散射，使有效光强度较弱，从而影响光的吸收，因此二氧化钛的投加量需在适宜的范围内。

4  结语

本文通过溶胶-凝胶法制备磁性纳米TiO2光催化剂，方法简单，并且制备磁性TiO2的纯度较高，避免了使用高温高压的复杂过程。利用紫外可见分光光度仪检测磁性纳米TiO2光催化剂的光催化性能，通过数据计算和图表模拟，得知制备的磁性纳米二氧化钛结构为锐钛矿，光催化性能较好，纳米TiO2光催化降解甲基橙的反应是一级反应。磁性包覆后光催化性能没有降低，催化剂的磁性更有利于磁性纳米TiO2的回收利用。

參考文献

[1] 方世杰，徐明霞，黄卫友，等.纳米TiO2光降解甲基橙[J].硅酸盐学报，2001.

[2] 颜鲁婷，司文捷，苗赫濯.纳米TiO2光催化材料的研究进展[J].材料科学与工程学报，2004.

[3] 朱宝林，赵伟玲，曾晨婕，等.一维CdS/TiO2纳米材料的制备及其光催化性能[J].催化学报，2011，32（10）：1651-1655.

[4] 沈毅，张青龙，吴国友，等.纳米TiO2光催化材料的研究进展[J].矿业研究与发展，2006.