可磁分離光催化劑的制備及其降解水中有機(jī)污染物性能的研究.pdf

1、作為一種應(yīng)用廣泛的光催化劑，TiO<,2>以其無毒、催化活性高、氧化能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好而最為常用。在水處理領(lǐng)域，懸漿型光催化反應(yīng)器因其高比表面積和良好的分散性而受到普遍的關(guān)注。然而，由于受到從水中回收納米二氧化鈦微粒的困擾，懸漿型光催化反應(yīng)器仍然受到很大的限制。為了克服催化劑分離的困難，人們研究報(bào)道了將二氧化鈦負(fù)載在玻璃珠、玻璃纖維、沸石等載體上的負(fù)載型光催化劑。然而，由于這些光催化劑載體較小的比表面積，大大降低了二氧化鈦的負(fù)載量和光催化

2、活性。另外，雖然TiO<,2>表現(xiàn)出了優(yōu)異的光催化去除環(huán)境中污染物的能力，但是它是一種寬禁帶的半導(dǎo)體材料，只能吸收太陽光中不足5％的紫外光，這大大限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。因此，為了解決納米二氧化鈦微粒的分離回收難題和目前光催化過程中太陽能利用率低的問題，研究開發(fā)容易分離回收以及能夠響應(yīng)可見光提高太陽能利用率的光催化劑就成為當(dāng)前光催化研究中的關(guān)鍵課題。 納米磁性顆粒因其具有巨大的比表面積和良好的分離回收特性，將其作為光催化劑的

3、載體，有希望利用其優(yōu)點(diǎn)來解決水中納米二氧化鈦微粒難以分離回收的困擾，使制備的復(fù)合TiO<,2>光催化劑既有粉狀納米TiO<,2>優(yōu)良的光催化活性，同時(shí)通過外加磁場(chǎng)很容易實(shí)現(xiàn)催化劑的回收而具有負(fù)載型TiO<,2>光催化劑的特點(diǎn)。本文采用納米磁性粒子和光催化劑納米粒子復(fù)合的思路，制備出了在紫外光下具有催化活性的可磁分離的復(fù)合光催化劑，并在其基礎(chǔ)上改變工藝條件制備出了在可見光下具有催化活性的可磁分離的復(fù)合光催化劑。同時(shí)，結(jié)合VSM、XRD、T

4、EM、EDS、XPS、FT-IR、BET、DRS等實(shí)驗(yàn)手段，研究了復(fù)合光催化劑的結(jié)構(gòu)與催化性能之間的關(guān)系。 1．通過液相催化相轉(zhuǎn)化的方法制得了分散性好、磁性強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)和晶相穩(wěn)定具有超順磁性的NiFe<,2>O<,4>納米磁性粒子。當(dāng)初始反應(yīng)物的濃度(Ni<'2+>和Fe<'3+>的總濃度)為0.6～1.5 mol·L<'-1>、體系的pH范圍為8.5≤pH≤10.3、Fe<'2+>離子催化劑的濃度與Fe<'3+>離子濃度之比為

5、0.02時(shí)，沸騰回流2～4 h，獲得了磁性強(qiáng)的NiFe<,2>O<,4>納米粒子。TEM和XRD的分析結(jié)果表明，該NiFe<,2>O<,4>納米粒子為尖晶石結(jié)構(gòu)，其粒徑不超過5mm。微量Fe<'2+>離子的存在對(duì)NiFe<,2>O<,4>納米粒子的生成具有顯著的催化作用，作者認(rèn)為Fe<'2+>離子的這種催化作用是通過溶解再結(jié)晶和固相轉(zhuǎn)化的途徑來實(shí)現(xiàn)的。 2．通過化學(xué)沉積的方法對(duì)制備的NiFe<,2>O<4,>納米磁性粒子進(jìn)行Si

6、O<,2>改性，制備了包覆二氧化硅膜的SiO<,2>/NiFe<,2>O<,4>(SN)納米磁性粒子。然后將SN納米磁性粒子和P-25納米粒子復(fù)合制備出可磁分離的TiO<,2>/SiO<,2>/NiFe<,2>O<,4>(TSN)復(fù)合光催化劑，其在紫外光下對(duì)甲基橙溶液表現(xiàn)出了高的光催化活性。TEM和XRD的分析結(jié)果表明，SN納米磁性粒子被P-25包裹形成了TiO<,2>殼。當(dāng)SiO<,2>的含量為NiFe<,2>O<,4>質(zhì)量的200％

7、時(shí)，能通過化學(xué)沉積的方法在NiFe<,2>O<,4>納米粒子的表面包覆一層較致密的SiO<,2>膜，其對(duì)復(fù)合光催化劑的磁性能和光催化性能的影響達(dá)到最佳。TSN復(fù)合光催化劑中，SiO<,2>膜中間層的引入極大地提高了復(fù)合光催化劑的光催化性能。SiO<,2>膜對(duì)光催化性能的改善是由于其阻止了光生電子和空穴向磁核NiFe<,2>O<,4>中遷移和復(fù)合。 3．在通過化學(xué)沉積的方法制備的SN納米磁性粒子上，負(fù)載具有可見光活性的TiO<,2

8、-x>N<,x>納米粒子，制備出可磁分離的TiO<,2-x>N<,x>/SiO<2,>/NiFe<,2>O<,4>(N-TSN)復(fù)合光催化劑，其能在可見光下(λ>400 nm)降解甲基橙溶液。TEM和XRD的分析結(jié)果表明，SN納米粒子黏附在TiO<,2-x>N<,x>聚集體的表面形成N-TSN復(fù)合光催化劑。N-TSN復(fù)合光催化劑不僅比表面積較大、在可見光下具有光催化活性、重復(fù)使用光催化活性穩(wěn)定，而且具有超順磁性。 4．在通過化學(xué)

9、沉積的方法制備的SN納米磁性粒子上，負(fù)載對(duì)可見光有較好吸收特性的Bi<,12>TiO<,2>O光催化劑納米粒子，制備出具有可見光活性的可磁分離的Bi<,12>TiO<,2>O/SiO<,2>/NiFe<,2>O<,4>(ESN)復(fù)合光催化劑，其吸收邊為450 nm左右。苯酚溶液的降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BSN復(fù)合光催化劑在可見光下(λ>400 nm)具有催化活性。TEM和XRD的分析結(jié)果表明，SN納米粒子黏附在Bi<,12>TiO<,2>O聚

10、集體的表面形成BSN復(fù)合光催化劑。 5．在制備的NiFe<,2>O<,4>納米磁性粒子基礎(chǔ)上，首先通過反膠束的方法制備磁性SiO<,2>/NiFe<,2>O<,4>(m-SN)納米球。然后通過化學(xué)沉積的方法在磁性m-SN納米球的表面包覆一層TiO<,2>殼制備出蛋型結(jié)構(gòu)的可磁分離的TiO<,2>/SiO<,2>/NiFe<,2>O<,4>(e-TSN)納米球光催化劑，其在紫外光下對(duì)甲基橙溶液表現(xiàn)出了高的光催化活性。TEM和XRD