二氧化钛—活性炭复合材料的制备及其光催化性能研究

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由于具有较高的催化活性、良好的耐腐蚀性、并且对环境友好、耐光腐蚀,更重要的是成本低廉,TiO2成为迄今为止研究和应用最为广泛的光催化剂。它作为光催化剂对农药、染料、医药废水、造纸废水、化工废水等进行处理,都能有效地进行脱色、降解、去毒、矿化为无机小分子。但是由于其禁带较宽(3.2eV)和太阳光中的紫外线部分太少(2-5%),所以TiO2作为光催化剂在实际应用中存在太阳能利用率低,光量子效率低,催化剂回收过程复杂等不足。因此,找到合适的途径,例如通过TiO2掺杂或者制备TiO2的复合材料,来提高TiO2光催化剂的催化效率,对实现光催化降解废水的工业化具有重要意义。本文以解决TiO2作为光催化剂在实际应用中存在太阳能利用率低和光量子效率低等问题为目标,制备了催化活性较高的TiO2-C复合材料,并且通过X射线衍射(XRD)对TiO2-C复合材料进行物相分析。利用扫描电镜(SEM+EDS)、透射电镜(TEM)对复合材料的显微组织及形貌特征进行分析。除此之外,还进行了DSC-TG综合热分析,紫外-可见光漫反射光谱(UV-Vis DRS)分析,X射线光电子能谱(XPS)分析。并以染料甲基橙和活性艳红X-3B的溶液为对象,进行了光催化氧化性能测试。催化活性艳红X-3B与甲基橙溶液的实验结果表明,无论是在紫外光照射还是可见光(室内)照射条件下,还是在玻璃烧杯或者石英烧杯中,复合材料TiO2-C比纳米TiO2粉末和活性炭均具有更加优异的催化效果(最高值为98.9%)。在紫外光照射下,制备的TiO2-C复合材料比纳米TiO2粉末和活性炭具有更加优异的催化效果。甲基橙紫外光催化实验结果,TiO2-C复合材料脱色率1小时后最高达到98.9%,而纳米TiO2粉末和活性炭则分别为25%和10%(玻璃烧杯)。在可见光(室内)照射条件下,制备的TiO2-C复合材料比纳米TiO2粉末同样具有更加优异的催化效果。在石英烧杯中,加入TiO2-C复合材料并且可见光照射一个小时之后活性艳红X-3B与甲基橙溶液的脱色率分别达到96.3%和98.7%;相同条件下,加入纳米TiO2粉末后,其的脱色率分别为34.7%和66.9%。并且还发现催化效率的提高总体上是与加入相应催化剂的量是成正比的,即加入的催化剂(TiO2-C复合材料或纳米TiO2粉末)越多,催化效率就越高——至少在目前所测定的实验范围之内(1.0g/l—2.5g/l)是这样的。综合分析(XRD,UV-Vis DRS等)可以确定,活性炭的包覆抑制了二氧化钛由锐钛矿转变为金红石相,并且能够更多的吸收可见光,从而大大地提高了TiO2-C复合材料的催化活性和效率。活性炭在TiO2-C复合材料中的作用除了吸附目标污染物,提高光催化反应速率之外还有很多,比如降低中间副产物的浓度,提高矿化率;通过碳膜对TiO2催化剂的包覆,产生接近于价带的表面态,在可见光激发下形成自由羟基,提高了TiO2-C复合材料在可见光下的催化活性。
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