Fe2O3/TiO2异质结的制备及光催化降解性能

闫磊磊,常　薇,刘　斌,岳萌萌,孙润军

(1.西安工程大学 环境与化学工程学院,陕西 西安 710048;2.西安工程大学 纺织与材料学院,陕西 西安 710048)



Fe2O3/TiO2异质结的制备及光催化降解性能

闫磊磊1,常薇1,刘斌1,岳萌萌1,孙润军2

(1.西安工程大学 环境与化学工程学院,陕西 西安 710048;2.西安工程大学 纺织与材料学院,陕西 西安 710048)

摘要:结合静电纺丝技术和水热法制备Fe2O3/TiO2异质结光催化材料.利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅立叶转换红外光谱(FT-IR)及比表面分析等方法,对Fe2O3/TiO2异质结的形貌、晶型、化学组成等进行表征.利用Fe2O3/TiO2材料对罗丹明B(RB)进行光催化降解,结果表明，Fe2O3/TiO2对RB的降解速率高于纯TiO2纳米纤维,而且掺铁量为0.5%时降解效果最好.

关键词:静电纺丝;TiO2纳米纤维;罗丹明B;光催化降解

0引言

近年来,随着经济的发展,人们对化工产品以及化工衍生产品的需求增多,工业废水和生活污水的排放量也在逐渐增多.水资源的污染严重威胁着人们的健康,因而水处理问题受到高度关注[1-4].半导体光催化剂可以将有机物完全分解为二氧化碳和水,TiO2纳米纤维作为半导体催化材料,因为无毒、化学性质稳定、可重复利用、廉价以及光催化性能高等特点被广泛使用[5-8].目前已制备出具有良好的吸附性能以及光催化性能的TiO2催化剂[6-12].纯的TiO2只有在紫外光照下在导带和价带中分别产生电子和空穴对,空穴有很强的氧化能力,可以将有机物完全分解为二氧化碳和水.离子掺杂具有降低电子空穴对的复合几率和拓展TiO2吸收阈值的作用,从而提高催化剂对太阳光的利用率[9-13].印染废水是水污染中常见的一种,对环境的危害非常严重[14-15],其中RB是一种难去除,但又使用较多的染料,对此,本文采用静电纺丝结合水热法合成Fe2O3/TiO2异质结光催化剂,并对其降解RB的性能进行研究.

1实验

1.1试剂与仪器

(1) 试剂钛酸丁酯(C16H36O4Ti,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司);乙酸(分析纯,天津医药化学有限公司);甲醇(分析纯,天津医药化学有限公司);聚乙烯吡咯烷酮(PVP,Mr=300 00,分析纯,国药集团化学试剂有限公司);罗丹明B(分析纯,天津市福晨化学试剂厂).

(2) 仪器IKA RO10型磁力搅拌器(广州仪科实验室技术有限公司),FA1104N型电子天平(上海赛德利思精密仪器仪表有限公司),UV-2450型紫外可见分光光度计(日本岛津公司),BL-GHX-V型光化学反应仪(西安比朗生物科技有限公司),电纺装置(自制),表面积分析仪(Micromertics,美国麦克仪器公司),场发射扫描电子显微镜(QUATA FEG 450),X射线衍射仪(Cu靶,波长0.154nm,40kV,40mA,日本理学),红外光谱仪(Perkin Elmer).

1.2催化剂的制备

取2.125g钛酸丁酯溶于25mL甲醇/乙酸(质量比为37∶3)混合溶剂中,并在常温下磁力搅拌均匀.取1.5g的PVP 边搅拌边加入溶液中,得到电纺前体溶液.将已配置的溶液加入到电纺装置的喷管中.管口与接收板的距离为 12cm,电压为14kV.溶液在高压静电场的作用下制备出复合纤维记作T0,然后常温干燥24h,并在500℃煅烧3h,制得TiO2纳米纤维记作ST0.

分别取Fe3+/TiO2摩尔比为0,0.5%,1%,2%,3%,5%的FeCl3·6H2O溶于30mL超纯水中,完全溶解后加入0.1g的ST0,在200℃下水热反应24h.然后用去离子水和无水乙醇反复清洗,烘干得到Fe2O3/TiO2异质结材料,分别记作FT0,FT0.5,FT1,FT2,FT3,FT5.

1.3罗丹明B光催化降解

实验采用罗丹明B(RB)考察所制备的光催化剂的光催化性能.取30mg的Fe2O3/TiO2异质结构材料加入30mL的RB(2×10-5mol/L)溶液,暗室1h,使催化剂与RB溶液达到吸附解吸平衡.采用光催化反应仪,在500W氙灯照射下进行光催化实验, 灯与试管之间的距离为5.2cm,每隔1h取样一次.取样的溶液进行离心并取上清液,用紫外可见分光光度计在λ=554nm处测定其吸光度A.

2结果与讨论

表 1　Fe2O3/TiO2异质结材料的孔结构性质

2.1比表面积及孔径分析

图1为Fe2O3/TiO2异质结材料的氮吸附-脱附等温线.由图1可看见,FT0为具有滞留环的IV型等温线.在较高的P/P0下,吸附质发生毛细血管凝聚,等温线迅速上升.FT2为具有滞留环的V型等温线,在中等的P/P0下,出现滞留环,且上述2种待测样品均为介孔型材料.BET模型计算出样品的比表面积见表1,从表1中可看出,掺铁之后样品的比表面积、孔体积和孔径均有所增加.

2.2SEM分析

图2为Fe2O3/TiO2异质结材料的扫描电镜图.图2(a)为煅烧之前的纯TiO2,其粗细分布均匀,表面光滑.图2(b),(c),(d)分别为FT0、FT0.5和FT5的扫描电镜图.可以明显地看到煅烧之后的TiO2纳米纤维均变为短棒状.图2(b)没有掺铁,所以纤维表面也比较光滑,图2(c)纤维表面负载了少量的Fe2O3,图2(d)纤维表面负载了较多的Fe2O3.表明FT0.5和FT5均形成了Fe2O3/TiO2异质结材料.2.3XRD分析

图3为Fe2O3/TiO2异质结材料的XRD图.从图3可以看出,Fe2O3/TiO2在2θ=25.2°(101),36.0°(103),38.0°(004),48.0°(200),54.3°(105),62.7°(204),69.3°(116),75.3°(215),82.8°(224)处出现9个衍射峰,与锐钛矿相TiO2(JCPDS 21-1272)晶面相吻合;在2θ=27.4°(110),41.1°(111)处出现的衍射峰,与金红石相TiO2(JCPDS 21-1276)晶面相吻合;随着铁含量的增加在33.2°(104)处出现衍射峰与α-Fe2O3(JCPDS 33-0664)晶面相吻合,而且该峰的强度越来越大.表明Fe2O3/TiO2异质结形成,且所制备的TiO2纳米纤维是以锐钛矿为主的混合晶型.随着掺铁量的增加,锐钛矿型的峰位置基本没有影响,这可能是因为Fe3+与Ti4+半径非常接近,从而进入TiO2晶格取代Ti4+所致[16-17].然而,在2θ=27.4°和41.1°时随着掺铁量的增加衍射峰位置逐渐减小后又增加,说明掺一定量的铁会抑制金红石相的生成,FT0.5对应的金红石相的量最少.

2.4红外光谱分析

2.5光催化性能评价

图5(a),(b)分别为Fe2O3/TiO2对RB的降解图和一级动力学曲线图.从图5(a)中可以看出,光照5h后,纯的RB基本没有降解,FT0.5对RB的降解效果最好,降解率达99%,其次分别是FT1,FT2,FT5,FT0,FT3.说明适量Fe2O3的负载可以有效提高TiO2纳米纤维对RB降解率.

RB的降解过程遵循 Langmuir-Hinshelwood 一级动力学模型[18],图5(b)为催化剂降解RB的一级动力学曲线图.由于RB的浓度很低,所以其动力学方程为

ln(C0/C)=kt.

其中,k为表观反应速率常数;C0为吸附脱附平衡后的浓度;C为不同光照时间间隔下剩余浓度,t为时间.从图5可以看出k的大小顺序为:FT0.5>FT1>FT2>FT5>FT0>FT3,与降解RB的结果一致.

3结束语

结合静电纺丝技术和水热方法制备了Fe2O3/TiO2异质结光催化材料.二氧化钛纳米纤维是以锐钛矿相为主的混合晶型,并且相比于纯的二氧化钛,掺铁二氧化钛的比表面积、孔径、孔体积都有所提高. Fe2O3/TiO2的异质结构以及Fe2O3的适量负载提高了其对RB的降解效率,当掺铁量为0.5%时催化降解效果最好,且使用中其比粉体状纳米光催化剂更易回收.

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编辑:武晖；校对：师琅

文章编号:1006-8341(2016)02-0234-05

DOI：10.13338/j.issn.1006-8341.2016.02.017

收稿日期：2015-12-21

基金项目:陕西省教育厅科研计划项目(14JK1315)；西安市碑林区科技计划项目(JX1419)

通讯作者:常薇(1972—)，女，陕西省富平县人，西安工程大学教授，研究方向为光催化材料的制备与应用.

中图分类号：TQ 031

文献标识码：A

Synthesis and photocatalytic degradation property of Fe2O3/TiO2heterojunction

YANLeilei1,CHANGWei1,LIUBin,YUEMengmeng1,SUNRunjun2

(1.School of Environmental and Chemical Engineering, Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China;2.School of Textile and Materials, Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China)

Abstract:Fe2O3/TiO2 heterojunction photocatalytic materials were synthesized by the combination of electrospinning technique and hydrothermal method. The morphology, crystallinity, chemical composition and other parameters of the Fe2O3/TiO2 heterojunction were characterized by SEM, XRD, FT-IR and specific surface area analysis. The photocatalytic degradation of Rhodamine B (RB) by Fe2O3/TiO2 material shows that the degradation rate of RB is higher than that of TiO2 nanofibers, and the degradation effect is better when the content of iron is 0.5%.

Key words:electrospinning; TiO2 nanofibers; Rhodamine B; photocatalytic degradation

E-mail:changwei@xpu.edu.cn

引文格式：闫磊磊,常薇,刘斌,等.Fe2O3/TiO2异质结的制备及光催化降解性能[J].纺织高校基础科学学报,2016,29(2)：234-238.

YAN Leilei,CHANG Wei,LIU Bin,et al.Synthesis and photocatalytic degradation property of Fe2O3/TiO2heterojunction[J].Basic Sciences Journal of Textile Universities,2016,29(2):234-238.