SiO_2_TiO_2复合粉体制备条件对其光催化能力的影响研究

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第39卷第2期2011年2月化 工 新 型 材 料NEWCHEMICALMATERIALSVol 39No 2 111

SiO2/TiO2复合粉体制备条件对其光催化

能力的影响研究

孙秀果1 吴国柱2 王少辉1

(1.石家庄铁道大学材料科学与工程学院石家庄050043;

2.沧州职业技术学院化学工程系沧州061001)

摘 要 采用包覆沉淀法制备了纳米SiO2/TiO2复合粉体,考察了包覆速度、温度对所得产品性能的影响,通过TEM表征和紫外吸收光谱分析,得出合适的包覆速度是改性的关键,并初步探讨了其影响机理。以紫外光照下降解甲基橙为目标,研究了改性温度和焙烧温度对纳米SiO2/TiO2复合粉体的光催化能力的影响规律。结果表明,合适包覆速度改性后的粉体粒度分布均匀,紫外吸收能力增强,分散性提高;低温改性后的粉体,低温煅烧后光活性较好,高温改性后的粉体,高温煅烧后光活性较好。

关键词

纳米二氧化钛,二氧化硅,表面包覆,光催化

StudyoneffectsofpreparationconditionsofSiO2/nano TiO2composite

powderonthephotocatalyticactivity

SunXiuguo WuGuozhu WangShaohui

1

2

1

(1.CollegeofMaterialScienceandEngineering,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043;2.DepartmentofChemicalEngineering,CangzhouVocationalCollegeofTechnology,Cangzhou061001)

Abstract Titanianano particlescoatedwithsilicawerepreparedbythecoatingprecipitationmethod.Theeffectsof

coatingspeedandtemperatureonthepropertiesoftheproductswerestudiedbyultravioletspectroscopy(UV)andtrans missionelectronmicroscope(TEM).Itwasfoundthattheappropriatecoatingspeedwaskeyfactor.Thecorrespondingmechanismwasalsoproposed.TheeffectsofcoatingtemperatureandcalcinationtemperatureonthephotocatalyticactivityofSiO2/nano TiO2compositepowderwereinvestigatedbythephotodegradationofmethylorangeinsolutionirradiatedbyultravioletlight.ItwasinferredthatTiO2coatedwithSiO2hadsmallerparticlesize,uniformsizedistribution,andtheUVabsorbingcapabilityandthestabilityofdispersionwereimproved.theresultsshowedthattheeffectofcalcinationtempera tureonthephotocatalyticactivitydependedoncoveringtemperature.Thatistosay,thelowerthecoatingtemperature,thelowerthecalcinationtemperaturewasneeded.

Keywords nano titania,silicadioxide,surfacecoating,photocatalyticdegration

水溶性偶氮染料是印染工业中污染治理的主要对象。由于它们大多含有苯环,目前所使用的化学和生物等降解方法难以取得较佳效果[1 2]。近十几年来,半导体多相光催化反应在污水处理过程中的应用普遍受到人们的关注[3 5]。在众多的半导体光催化剂材料中,TiO2因其化学性质稳定和催化效率高而倍受青睐[6 7]。但由于纳米级TiO2的比表面积大,表面活性高易团聚,所以必须对其表面进行处理,作者在文献[8 9]曾报道过SiO2/TiO2复合粉体的制备、表征及性能的研究。包硅后的纳米TiO2在紫外吸收能力、光催化活性等方面得到很大的提高。本实验利用TEM、紫外吸收光谱分析对包覆温度和中和速度对包覆效果的影响进行了考察,并初步探讨了影响机理。另外,对不同包覆温度及焙烧温度下所得的产品的光催化性能进行了研究。

基金项目:河北省自然科学基金资助项目(E2008000440,E2009000911)作者简介:孙秀果(1970-),女,硕士,副教授,主要从事纳米材料改性的研究。

1 实验部分

1.1 包覆实验

将自制纳米TiO2粉体配成1.5%的悬浮液,用适当的六偏磷酸纳作为分散剂,超声振荡30min,然后将分散好的TiO2浆液加热到一定温度,同时滴加硅酸钠和稀硫酸,调pH值到8~10,保温陈化2h,120 烘干,最后在不同温度下煅烧,研磨得产品。

1.2 光催化实验

将100ml0 02g L-1含有0 1g样品的甲基橙溶液加入到半径为15cm的圆形表面皿中,放到光催化反应装置中,开始进行光催化氧化反应。定时取样,用高速离心机进行离心,用分光光度计测其上层清液的吸光度。催化氧化降解率的表

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征采用(A0-At)/A0%。

化工新型材料第39卷

1.3 分散性实验

分别称0.025g倒入50mL的比色管中,加入50mL去离子水超声分散10min,静置,间隔定时取样,测其透光率。

2 结果与讨论

图1为不同中和速度下所得样品的紫外吸收光谱图。从图中得知,中和速度太快或太慢均对包膜不利,在实际过程中必须选择合适的包膜速度,这和TEM照片得出的结论是一致的。如果加硫酸太快,溶液中局部H+浓度太高,硅酸形成过快,不能形成活性很大称活性硅的单体形式的正硅酸或低聚合度的硅酸聚合物,而是形成无活性的高聚合度的硅酸。它无法键合到TiO2表面的羟基上,而仅均相成核并再长大,致使颗粒不均,有团聚体出现,因此紫外吸收能力降低。如果中和太慢,难于成膜,达不到表面光滑的效果,易粘连团聚影响紫外吸收能力。粒径直接影响TiO2紫外吸收能力[10]。这也可以从图1看出,粒径20~30nm的TiO2紫外吸光度值约在2 8~3 5之间,而粒径50~60nm的TiO2紫外吸光度值约在0 8~1 9之间,可见粒径越小,紫外线吸收能力越强。随着粒径的减小,紫外吸收峰值出现了蓝移,这主要是由纳米粒子的

量子尺寸效应引起的。

氧化钛表面非常复杂,文献报道[11]在其表面至少有12种羟基,然而只有2种羟基是主要的,一种是钛 氧键的部分水解形成的端羟基,另一种是通过H抵消局部过剩电荷而形成的

桥式羟基。分散介质中水分子通过羟基(氢健作用)吸附在TiO2表面形成溶剂化层,水分子对体系中TiO2颗粒分散作用不是双电层作用,而是溶剂化作用的结果。这种溶剂化层导致粉体颗粒彼此之间是一种排斥作用,且其斥力大小与溶剂化层厚度呈正相关性,而颗粒的表面曲率决定着溶剂化层的厚度。

当TiO2改性后,在TiO2表面形成钛 氧 硅键[8],也存在着端羟基,和TiO2表面性质相似,但是表面包覆SiO2的TiO2粒子表面变得光滑并成类球状,有助于水的吸附形成较厚溶剂化层,颗粒之间的斥力也将增大,有利于其在水中的分散稳定性提高。当然,如果煅烧温度进一步升高,这种溶剂化效果依然存在,但此时颗粒彼此间团聚导致生成更大的粉体颗粒,表面积和表面曲率将减小,而颗粒所受重力将增加,二者的共同作用使TiO2纳米粉体失

去原有的分散稳定性。

温度/ 120400500600800

改性前TiO2

76.194.294.594.989.3

图2 TiO2不同中和速度包膜改性后的TEM照片

表1 不同煅烧温度对透光率的影响

透光率/%

SiO2/TiO2

41.84539.855.455.8

图1 不同中和速度下所得改性样品的紫外吸收光谱图图2为粒径20~30nm的TiO2进行不同中和速度包膜改性后的TEM照片,从照片看出,中和速度太快,有大的团聚体出现。

表1为不同煅烧温度下未改性TiO2、SiO2/TiO2与透光率的关系(静置20h)。从表1可以看出,硅改性后的TiO2分散稳定性明显提高,而且最佳煅烧温度是500 ,和下述光

催化活性规律基本一致。

图3至图6为不同包覆温度下所得样品经不同温度焙烧后对甲基橙的降解曲线。由图可见,400 、500 煅烧下,改性温度对降解率的影响不大,但对600 和800 煅烧后,改,中得的

图3 不同包覆温度样品对甲基橙的降解(400 煅烧)

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