斜发沸石负载TiO2用于水中有机染料的高效光催化降解

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水污染问题是现代社会关注的主要环境问题之一。大量污水来自于工业生产和家庭生活,它们携带着各种化学物质如果未经处理被排入湖泊、河流和海洋后则会严重影响水质。其中,含有染料的污水由于其具有致癌性,在排放之前必须进行治理。目前,处理该类污水的方法很多,但是大多集中在选择不同的吸附材料。近年来,人们提出先进氧化技术(AOT),在多相光催化体系中通过光催化剂(TiO2,ZnO,CuO)吸收光能产生电子-空穴对,从而在催化剂表面诱发高活性自由基(如羟基)来降解污水中的有机物,并促使其完全矿化。TiO2作为一种高效、低成本、环境友好的新型非均相光催化材料,在污水处理和可再生能源的开发利用方面具有广阔的应用前景。然而,由于TiO2的电子空穴重组速率快、催化剂回收步骤复杂、电子空穴转运机制等因素极大地限制其大规模实际应用,并成为光催化领域面临的主要挑战之一。为提高TiO2的光催化性能,将TiO2负载到沸石、二氧化硅、石墨等多孔载体表面是克服上述纯TiO2诸多局限性的重要手段。其中沸石由于其具有优良的吸附、离子交换和催化性能被认为是最常用的载体之一。本文以天然沸石和合成沸石为载体负载TiO2以提高其分散性,减少团聚,同时抑制电子空穴复合速率,增强有机分子的吸附性,从而提高光催化效率。分别采用水热法、原位水热法和溶胶-凝胶法成功制备出TiO2/斜发沸石(TiO2/CP)固相催化剂。详细考察了温度、pH值、TiO2前驱体浓度和在原位水热合成过程中添加的氟离子(F-)浓度等参数对TiO2/CP催化剂中TiO2的粒径、晶相、结晶度及其团聚态的影响。结果表明,随着合成温度升高、F-离子浓度增加、酸性增强,TiO2/CP催化剂比表面积减小,粒径增大,结晶度有所提高。特别是随着合成体系中酸性增强和F-离子浓度增加,有利于金红石或锐钛矿相TiO2在斜发沸石表面更加均匀分散。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、紫外可见吸收光谱(UV-vis)和低温氮气吸脱附等温线(BET)对TiO2/CP催化剂的结构特征、织构参数以及形貌和组成等物理化学性质进行了深入表征。结果表明,通过原位水热法制备的TiO2/CP催化剂表面具有较高的负电性(其pHPZC值为2.3),且负载的TiO2颗粒在类叶状斜发沸石表面均匀分散;而溶胶-凝胶法和水热法制备的TiO2/CP催化剂表面则显示出较高的pHPZC值,分别为4.1和5.9,且负载的TiO2颗粒在相对卷曲的斜发沸石表面出现明显聚集态。以降解水中紫罗兰(CV)和甲基橙(MO)为模型反应,详细探索了TiO2/CP催化剂合成方法及其晶相、粒径、比表面积和表面电荷电势等性质对光催化性能的影响。结果表明,虽然天然斜发沸石作为载体在能耗成本方面有显著优势;合成斜发沸石作为载体在CV去除效率方面较为有效,但是,原位水热过程由于能耗适中是制备TiO2/CP催化剂的最佳方法,所制备的TiO2/CP催化剂具有对CV吸附容量大和去除率高等优点。因此,重点阐述了原位水热法制备的TiO2/CP催化剂用量、溶液初始p H值、CV初始浓度等参数对光降解性能的影响。
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