Ti-MCM-48负载的Bi2O3对罗丹明B的光催化降解

2019-10-23段永正

山东化工 2019年19期

刘娟，段永正

(滨州学院化工与安全学院，山东滨州 256603)

黄河三角洲分布着众多的印染企业，所产生的印染废水含有大量的有机污染物，严重威胁着人类健康和自然环境[1]。通过常用的微生物处理技术难以对染料等有机物进行降解，而共沉淀、吸附、化学氧化等方法存在去除率低、成本高，并且易引起二次污染等缺点。由于在温和条件下能够将有机污染物降解为无机小分子，光催化技术备受关注。

传统的光催化剂，例如TiO2和ZnO只能在紫外灯照射的条件下降解有机污染物。然而这些光催化剂仍然存在很大的缺点，比如快速的光致电子和空穴的复合，严重地制约着光催化剂催化效率的提高；此外这些光催化剂只能在占太阳光能不到5%的紫外光(λ≤400)下进行工作，而对占太阳光能43%的可见光催化效果很差，所以使催化剂光响应范围从紫外光区扩展到可见光区，从而获得对可见光响应的光催化剂成为极具挑战性的课题[2]。本文以Ti-MCM-48 为载体负载Bi2O3颗粒制备一类新型的可见光催化剂,并对其结构和光催化降解罗丹明B性能进行了表征，以求对此类染料降解提供参考。

1 实验部分

1.1 催化剂制备

MCM-48以及Ti-MCM-48(Si/Ti=50)的制备可参考相应文献[3]。具有不同Bi2O3含量的Bi2O3/Ti-MCM-48的制备方法是将不同量的硝酸铋溶液与Ti-MCM-48共浸，然后在80℃下真空干燥，最后在550℃下焙烧4 h。作为对照，Bi2O3/MCM-48的制备方法与上述类似，只是载体采用MCM-48。

1.2 光催化降解

光催化降解是在南京多助科技发展有限公司的DGY-1光化学反应仪中进行。光催化降解采用500 W的氙灯提供可见光，反应温度控制在20℃。反应液在黑暗条件下搅拌半小时以达到催化剂与有机分子的吸附-脱附平衡。光照后，每隔十分钟取样，离心后用紫外分光光度计测量吸光度。

2 结果与讨论

(a) MCM-48, (b) Ti-MCM-48, (c) Bi2O3(2.0)/ MCM-48,(d) Bi2O3(2.0)/Ti-MCM-48图1 不同样品的氮气吸附-脱附等温线

从图1可以发现，MCM-48具有IV类型的吸附-脱附等温线，表明具有介孔结构。与MCM-48相比，Ti-MCM-48具有类似的形状，这说明Ti-MCM-48的介孔结构仍然得到很好的保持。与MCM-48 和Ti-MCM-48相比，对应的铋基催化剂的等温线并没有显示明显的弯曲，这表明氧化铋并不是均匀的负载在载体表面。图2为Bi2O3(2.0)/Ti-MCM-48的TEM图。从图中可以发现Ti-MCM-48为分散较好椭球状颗粒，这将有利于Bi2O3较好的分散到Ti-MCM-48的孔内或者表面，从而有利于提高光催化活性位的增加，从而改善催化剂的光催化性能。

图2 Bi2O3(2.0)/Ti-MCM-48的TEM图

图3 Bi2O3(2.0)/Ti-MCM-48的XPS谱图

为了检测所得到催化剂的元素组成和化学性质，对Bi2O3(2.0)/Ti-MCM-48进行了XPS检测。从图3可以看出，所得到光催化剂含有Ti，Si，Bi，O四元素。这进一步证明了成功制备了Bi2O3/Ti-MCM-48光催化剂。

(a) MCM-48, (b) Ti-MCM-48, (c) Bi2O3(2.0)/MCM-48, (d) Bi2O3(2.0)/Ti-MCM-48图4 不同样品的固体紫外谱图

图4为MCM-48, Ti-MCM-48, Bi2O3(2.0)/MCM-48和Bi2O3(2.0)/Ti-MCM-48的固体紫外漫反射谱图。从图中可以发现，MCM-48只能吸收低于380 nm的紫外光线。与MCM-48相比，Ti-MCM-48 在可见光区域有较好的吸收。Bi2O3具有较窄的带隙，负载在MCM-48的Bi2O3光催化剂在可见光有一定的吸收。Bi2O3(2.0)/Ti-MCM-48在紫外与可见光都有显著的提高。这表明两种不同合适带隙的半导体材料复合可以提高催化剂在可见光的吸收。

(a)无催化剂, (b) Bi2O3(2.0)/MCM-48, (c) Ti-MCM-48, (d) Bi2O3(1.0)/Ti-MCM-48,(e) Bi2O3(2.0)/Ti-MCM-48,(f) Bi2O3(3.0)/Ti-MCM-48和(g) Bi2O3(4.0)/Ti-MCM-48

图5 不同样品对罗丹明的光催化降解

对所得到的不同的催化剂进行了罗丹明B的光催化降解。从图5可以发现，罗丹明B在可见光下几乎没有降解，这表明了罗丹明B的化学稳定性。Bi2O3(1.5)/MCM-48在光照60 min后降解了47%，这是由于负载在MCM-48表面的Bi2O3可以有效地抑制光生载流子的复合所致[4]。对于Ti-MCM-48来讲，降解率为42%，这是由于该催化剂存在着高活性的[Ti3+-O-][3]。当Ti-MCM-48与Bi2O3复合生成异质结构光催化剂时，其光催化活性得到明显的提高。在这些光催化剂中， Bi2O3(2.0)/ Ti-MCM-48光催化效果最佳，其降解率为94.8%。然而随着Bi2O3量的增加，光催化效果反而下降。这说明在Bi2O3/Ti-MCM-48催化剂中，Bi2O3量对光催化效果起着重要的作用[5]。