TiO2-聚噻吩系列光催化劑的低溫水熱法制備及其光催化性能研究.pdf

1、由于優(yōu)異的光催化性能等諸多優(yōu)點，TiO2納米光催化劑引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。但是，懸浮相TiO2及其復(fù)合材料存在著易團(tuán)聚、難回收、無法連續(xù)運(yùn)行等缺點;在塊體材料的負(fù)載因存在傳質(zhì)效率下降、起催化作用的催化劑總量下降等原因而導(dǎo)致催化效率降低;直接將TiO2負(fù)載在Fe3O4表面，兩者將緊密接觸，TiO2分子可能向磁核Fe3O4中遷移，致使磁核的磁性減弱，進(jìn)而降低了復(fù)合光催化劑的回收率。同時，F(xiàn)e3O4分子也可能向TiO2滲透，由于Fe3O

2、4的能帶較窄，其就成為了光生電子和光生空穴的復(fù)合中心，最終使TiO2光催化劑的催化活性下降;在磁核與TiO2之間添加無機(jī)惰性隔離層(SiO2、Al2O3)所制備的復(fù)合材料由于無機(jī)惰性隔離層產(chǎn)生了較強(qiáng)的磁屏蔽效應(yīng)，降低了回收率。為了獲得高效的催化劑，目前一般采用高溫晶化，因此，產(chǎn)生了諸多不足。首先，F(xiàn)e3O4易被氧化，失去部分磁性而導(dǎo)致磁回收率下降;其次，高溫煅燒使TiO2板結(jié)，粒子之間出現(xiàn)團(tuán)聚，不但降低了粒子的比表面積，而且TiO2表面

3、的羥基也很難在高溫下存活，這就大大降低了光催化劑的催化效率。另一方面，TiO2的禁帶較寬(3.2eV)，只能吸收波長小于387nm的紫外光，而豐富的太陽能中只含有5％左右的紫外光，更多的是可見光。這就大大降低了純TiO2光催化劑對太陽光的利用率。這些缺點都限制了TiO2光催化劑的實際應(yīng)用。針對上述的諸多問題。本文做了以下工作:
　　1、選用具有剛性好、耐酸、耐堿、耐高溫和良好環(huán)境穩(wěn)定性等優(yōu)點的高分子聚合物聚噻吩(PTh)作為有機(jī)惰

4、性隔離層，采用低溫水熱法(170℃，pH=7±0.2)，以Fe3O4為磁核，設(shè)計正交實驗，成功地將TiO2牢固地負(fù)載在PTh/Fe3O4(PF)磁性微珠上，制備了9種完整殼/殼/核結(jié)構(gòu)的TiO2/PTh/Fe3O4磁載光催化劑。采用以下儀器對光催化劑進(jìn)行表征:利用透射電子顯微鏡(TEM)觀察光催化劑的形貌、利用X射線衍射儀(XRD)測定光催化劑的物相組成、利用傅里葉紅外分光光度計(FT-IR)分析光催化劑的表面性質(zhì)、利用振動樣品磁強(qiáng)計(

5、VSM)表征光催化劑的磁學(xué)強(qiáng)度、利用粒徑分布測定儀測定光催化劑的粒徑分布。利用催化劑降解苯酚和還原Cr(Ⅵ)的光催化實驗來研究其光催化活性的規(guī)律。通過磁回收率考察光催化劑的磁回收性能。通過重復(fù)進(jìn)行光催化實驗，來評價光催化劑的使用壽命。
　　2、通過低溫水熱法制備了具有可見光響應(yīng)的TiO2/PTh(TP)光催化劑。用透射電子顯微鏡(TEM)、傅里葉紅外分光光度計(FT-IR)和紫外-可見漫反射光譜儀對催化劑的形貌、表面性質(zhì)和響應(yīng)光的

6、波長進(jìn)行了表征。以苯酚、Cr(Ⅵ)和羅丹明B為模擬污染物，在復(fù)合光和可見光下進(jìn)行光催化反應(yīng)，研究所制備的光催化劑在可見光下的光催化活性。通過研究，現(xiàn)得出以下結(jié)論:
　　(1)利用低溫水熱法制備的TiO2具有混晶結(jié)構(gòu)(銳鈦礦型占93.6％，金紅石型占6.4％)，晶粒大小在4-6nm之間，具有優(yōu)良的光催化活性，與P25相當(dāng)。
　　(2)設(shè)計正交實驗，nTi4+水平分別取90，75和60，n噻吩單體的水平分別是8，5和2.5，nF

7、e3O4的水平是1。制備了TPTF1～TPTF9等不同摩爾比的光催化劑。它們都具有優(yōu)良的光催化活性，在降解苯酚和Cr(Ⅵ)的實驗中，均遵循一級反應(yīng)動力學(xué)方程。
　　(3)TPTF1～TPTF9中，降解苯酚效果最好的是TPTF6，其摩爾比是nTi4+∶n噻吩單體∶nFe3O4=75∶2.5∶1;還原Cr(Ⅵ)效果最好的是TPTF5，其摩爾比是nTi4+∶n噻吩單體∶nFe3O4=75∶5∶1。
　　(4)TPTF6光催化降解苯

8、酚的反應(yīng)速率常數(shù)K=0.0253min-1，與純TiO2相當(dāng)，在循環(huán)使用5次后，K僅下降0.0048min-1。TPTF5重復(fù)使用5次后，光催化還原Cr(Ⅵ)的速率常數(shù)是0.0123min-1，較重復(fù)使用前的0.0229min-1，下降了0.0106min-1。
　　(5)TPTF6和TPTF5都具有良好的磁回收性能，TPTF6循環(huán)使用5次后，其磁回收率由第一次的94.7％下降到了89.3％，僅下降了5.4％。TPTF5的磁回收率

9、由第一次的89.2％下降到了81.9％，僅下降了7.3％。聚噻吩不但為外層的TiO2和內(nèi)核的Fe3O4提供了負(fù)載連接點，將它們緊密的鏈接在一起，使TPTF形成一個完整的體系，而且作為惰性隔離層，有效地防止了磁核與TiO2直接接觸和擴(kuò)散，避免了光生電子-空穴的復(fù)合和磁核的溶解，間接提高了光催化劑的催化活性和磁回收性能。TPTF6循環(huán)使用5次，其反應(yīng)速率常數(shù)、飽和磁化強(qiáng)度以及磁回收率為0.0205min-1、1.59emu/g和89.3％，

10、比第一次的0.0253min-1、1.85emu/g和94.7％略有降低。說明以聚噻吩為惰性隔離層所制備的TPTF光催化劑兼具優(yōu)良的光催化活性和磁回收性能，具有應(yīng)用前景。
　　(6)采用低溫水熱法成功地制備了TiO2/PTh光催化劑（nTi4+∶n噻吩單體=100∶1，100∶0.5和100∶0.25）并對其進(jìn)行了物理特性表征;所制備的TiO2/PTh光催化劑降解苯酚、還原Cr(Ⅵ)和降解羅丹明B都遵循一級反應(yīng)動力學(xué)方程;在降解苯

11、酚、還原Cr(Ⅵ)和降解羅丹明B的過程中，不同光催化劑在復(fù)合光下的光催化反應(yīng)速率明顯比可見光高;在可見光下降解苯酚、還原Cr(Ⅵ)和降解羅丹明B的過程中，TP1～TP3均高于P25和純TiO2，說明聚噻吩在一定程度上增強(qiáng)了TiO2在可見光的響應(yīng)。同時，TP1～TP3中，光催化效果最好的是TP2，其摩爾比是nTi4+∶n噻吩單體=100∶0.5。TP1～TP3在復(fù)合光下降解苯酚的效率均低于P25和純TiO2，其原因和機(jī)理有待于進(jìn)一步的研究