PAM掺杂的二氧化钛粉体的制备与光催化研究

傅岳龙 房名浩 王旭明

中国地质大学（北京）材料科学与工程学院 100083

PAM掺杂的二氧化钛粉体的制备与光催化研究

傅岳龙 房名浩 王旭明

中国地质大学（北京）材料科学与工程学院 100083

以钛酸四丁酯为原料，添加了铁元素和氟元素，并掺杂不同量的聚丙烯酰胺采用溶胶凝胶法制备了不同煅烧温度下的纳米TiO2粉体，在紫外光照射后，通过紫外-可见分光光度计测量了光催化降解反应后降解率的变化。实验表明：添加适量聚丙烯酰胺有助提高TiO2的活性，细化晶粒，在500℃时其催化效率最高。

1 、引言

纳米TiO2光催化剂TiO2具有分解有害物质(用于污水及空气污染治理)，阻杀致病细菌，净化环境之功能，且具有光催化活性易恢复、广谱安全、节能、稳定、清洁无毒、无二次污染等优点[1-4]，作用持久且价廉引起了人们的关注，被广泛用于以涂料、玻璃、陶瓷为代表的绿色建材领域[5-8]。TiO2禁带宽度大(Eg=3.2eV)，只有波长较短的太阳光能(<387nm)才能被吸收，而太阳光中只有大约4%～6%的紫外光，对太阳能利用率很低[9-11]。聚丙烯酰胺（PAM）为水溶性高分子聚合物，不溶于大多数有机溶剂，具有良好的絮凝性，可以降低液体之间的摩擦阻力。本实验利用聚丙烯酰胺的这些特性在TiO2中掺杂了一定量的PAM，改善了TiO2的性能，显著提高了TiO2的光催化活性。

2 、实验部分

2.1 试剂与仪器

钛酸四丁酯，浓盐酸，无水乙醇，氟化铵，聚丙烯酰胺（PAM），硝酸铁，均为分析纯；甲基橙（指示剂）；实验用水均为蒸馏水。

扫描电子显微镜；X射线衍射仪；紫外分光光度计。

2.2 光催化剂的制备

将10.0 mL钛酸丁酯在搅拌下逐滴加入50.0mL无水乙醇中，得到溶1。将1.5mL浓盐酸与15.0 mL蒸馏水及适量硝酸铁（Fe0.15wt%）和氟化铵（F0.15wt%）以及一系列不同浓度的PAM(PAM的浓度为0.1～1.0(wt)% )充分混合得到溶液2，。在搅拌条件下，将溶液2滴加到溶液1中，继续搅拌30min。室温下陈化至溶液完全转变为凝胶，80℃干燥12h得干凝胶，在一定温度下焙烧保温4h，研磨成粉末。改变煅烧温度（400℃、450℃、500℃、550℃、600℃），考察其物相及光催化影响。

2.3 光催化实验

将250.0 mg样品加到250.0 mL浓度为事先配制的10mg·L-1甲基橙溶液中进行甲基橙溶液的催化脱色降解，每隔20min取样3.00mL，离心分离去除光催化剂。用分光光度计测定上层清液在462.5 nm(甲基橙的最大吸收波长)处的吸光度值。甲基橙溶液的脱色率D表征该催化剂的催化活性，脱色率D为：D=(A0-A)/A0× 100%，其中，A0：甲基橙溶液的初始吸光度值，A：脱色后甲基橙溶液的吸光度值。

3 、结果与讨论

3.1 XRD物相分析及SEM分析

图1 不同烧结温度的0.4%PAM-TiO2图谱

由图1可以看到0.4%PAM－TiO2粉体从400℃到600℃热处理过程中，金红石型均占主要部分。而且PAMTiO2粉体衍射峰随温度升高逐渐变窄，说明粒子尺寸逐渐长大。

在图2的扫描电镜中可以明看到烧结温度从400℃到600℃升高的过程中，晶粒虽有增大，但并不明显。图2-b与图3比较，粒径有所减小，说明PAM的加入有利于抑制晶粒的生长。

图2 不同烧结温度的PAM-TiO2 SEM图

图3 500℃时烧结的无PAM的TiO2 SEM图

3.2 PAM掺量对TiO2光催化活性的影响

利用溶胶凝胶法并在烧结温度为500℃下制备的掺PAM的质量分数分别为0.0%、0.1%、0.2%、0.4%、0.8%、1.0%的TiO2粉体，在300W汞灯下的降解率如图4所示。

由图4可看出，随着PAM掺量的增加，甲基橙的降解率先降低后升高，在0.4%处达到最高值，然后又回落，并且只有掺量为0.4%的降解率高于不掺PAM时的降解率。

3.3 烧结温度对TiO2光催化活性的影响

用溶胶－凝胶法在烧结温度分别为400℃，450℃，500℃，550℃和600℃下对其进行热处理4h制备的掺PAM质量分数为0.4%的TiO2粉体，其降解率见图5。

图4 甲基橙降解率随PAM掺量的变化

图5 烧结温度对甲基橙降解率的影响

由图可以看出烧结温度对TiO2光催化性能影响较大，在500℃时其催化活性最高，而在550℃和600℃时催化活性几乎为零。

4 结论

掺杂适量的PAM可有效提高TiO2光催化性能，且PAM的掺杂量存在一个最佳值，在本实验中对甲基橙光催化降解效率的最佳PAM掺杂质量分数为0.4%。最佳烧结温度为500℃，催化效率可达44.07%。XRD及SEM测试显示，适量PAM的加入抑制了晶粒的生长，细化晶粒。

[1]管晶，梁文懂.掺钒二氧化钛的可见光催化性能研究[J].应用化工.2006，2：117-119

[2]王延延，周国伟，徐会颖等.光催化剂TiO2改性研究进展[J].硅酸盐通报.2008，27（3）：562～567

[3]Beata Wawrzyniak,Antoni Waldemar Morawski and Beata Tryba.Preparation of TiO2-nitrogen-doped photocatalyst active under visible light.International Journal of Photoenergy，2006，68248：1～8

[4]刘鑫，刘福田，张宁等.V、La共掺杂对纳米TiO2光催化降解甲基橙的研究[J].陶瓷学报.2007，28（2）：104～107

[5]高濂，郑珊，张青红.纳米氧化钛光催化材料及应用.北京：化学工业出版社.2005

[6]刘守新，刘鸿.光催化及光电催化基础与应用.北京：化学工业出版社.2006

[7]Gary A，Epling Chitsan Lin.Photoassisted bleaching of dyes utilizing TiO2 and V ible light[J].Chemosphere，2002(46)：561-570

[8]白洁.纳米TiO2复合催化剂的合成及其光催化性能研究[D].兰州:西北师范大学.2007：25-26

[9]VORONTSOV A V，STOYANOVAL I V，KOZLOV D V，et al.Kinctics of the.Photocatalytic oxidation of gascous acctonc over platinized titanium dioxide[J].J Catal，2000，189(2)：360-369

[10]苏碧桃，白洁，慕红梅，等.自然光下Fe3+掺杂纳米TiO2光催化降解亚甲基蓝的研究[J].西北师范大学学报：自然科学版.2006，42(6)：51-55

[11]张海禄.高效二氧化钛光催化剂的制备及其性能研究[D].武汉：武汉科技大学.2004：25-29

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.015

溶胶凝胶；TiO2；PAM；光催化性能