热处理温度对La-TiO<sub>2</sub>光催化降解亚甲基蓝的影响

引用本文

弓莹, 姚婷, 高雯雯, 刘慧瑾, 焦玉荣. 热处理温度对La-TiO₂光催化降解亚甲基蓝的影响 [J]. 工业催化, 2017,25(6): 28-31.
Gong Ying, Yao Ting, Gao Wenwen, Liu Huijin, Jiao Yurong. Effect of heat treatment temperatures on photocatalytic degradation of methylene blue on La-TiO₂ photocatalyst [J]. Industrial Catalysis, 2017,25(6): 28-31. 复制到剪切板

Doi:10.3969/j.issn.1008-1143.2017.06.006
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热处理温度对La-TiO₂光催化降解亚甲基蓝的影响

弓莹^*, 姚婷, 高雯雯, 刘慧瑾, 焦玉荣

榆林学院化学与化学工程学院,陕西榆林 719000

通讯联系人:弓莹。

作者简介:弓莹,1984年生,女,硕士,实验师,主要研究方向为纳米材料的直接化学合成及光催化性能。

收稿日期: 2017-02-14

基金资助: 陕西省科技厅项目(2015GY114,2014k-01-07); 陕西省教育厅专项科研计划项目(15JK1849); 榆林学院高层次人才科研启动项目(14GK23)

摘要

La-TiO₂热处理温度分别为350 ℃、550 ℃和750 ℃,热处理时间1 h,采用红外光谱和紫外-可见分光光度计等研究热处理温度对La-TiO₂光催化性能的影响。结果表明,热处理的La-TiO₂对亚甲基蓝的光催化降解过程符合一级动力学模型,550 ℃热处理的La-TiO₂光催化活性最高,光催化反应动力学常数 k=0.002 201 min^-1。

关键词: 催化剂工程; TiO2 掺杂; 光催化; 热处理温度; 亚甲基蓝

中图分类号:TQ034 文献标志码:A 文章编号:1008-1143(2017)06-0028-04

Effect of heat treatment temperatures on photocatalytic degradation of methylene blue on La-TiO₂ photocatalyst

Gong Ying^*, Yao Ting, Gao Wenwen, Liu Huijin, Jiao Yurong

School of Chemistry and Chemical Engineering,Yulin University,Yulin 719000,Shaanxi,China

Abstract

The heat treatment temperatures of La-TiO₂ were 350 ℃,550 ℃ and 750 ℃,and the heat treatment time was one hour.The effect of heat treatment temperatures on photocatalytic performance of La-TiO₂ photocatalyst was investigated by Fourier transform-infrared spectroscopy and ultraviolet visible spectrophotometer.The results showed that La-TiO₂ photocatalyst exhibited the highest photocatalytic activity after heat treatment at 550 ℃;the photocatalytic degradation process of methylene blue over La-TiO₂ photocatalyst conformed to the first-order kinetic model and the kinetics constant for photocatalytic reaction k=0.002 201 min^-1。

Keyword: catalyst engineering; TiO2 doping; photocatalysis; heat treatment temperature; methylene blue

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亚甲基蓝是一种极具代表性的偶氮类染料, 其芳香结构不易被破坏, 常规方法较难彻底降解, 但亚甲基蓝在光催化体系中能被强氧化剂彻底氧化, 降解成H₂O和CO₂等无毒、无害的小分子物质^[1], 常被作为光催化降解的研究对象。纳米TiO₂作为光催化剂, 对于较难降解的化合物具有较高的光催化降解性能。利用TiO₂对可见光的吸收功能, 许多化妆品中均掺杂有Ti $\begin{matrix} {O_{2}}^{[2 - 4]} \end{matrix}$ 。稀土离子La的掺杂可以有效抑制TiO₂晶型的转变, 增大比表面积, 提高光催化性能^{[5, 6]}。TiO₂的光催化活性主要与其晶型结构、晶粒尺寸、比表面积及热稳定性等有关, 而这些因素主要由制备过程中的温度控制方式控制^{[7, 8]}。本文以亚甲基蓝为降解目标对象, 研究热处理温度对La-TiO₂光催化性能的影响。

1 实验部分

1.1 试剂

硫酸氧钛、硝酸镧、氢氧化钠、无水乙醇和亚甲基蓝, 均为分析纯。

1.2 催化剂制备及热处理

催化剂制备参考文献^[9], 将催化剂样品放入马弗炉进行热处理, 热处理温度分别为350 ℃、550 ℃和750 ℃, 热处理时间1 h。

1.3 催化剂表征

采用日本岛津公司UV-2450紫外-可见分光光度计, 测试紫外吸收光谱及漫反射光谱。

采用德国布鲁克公司TENSOR27傅里叶红外光谱仪, 测试物质成分。

2 结果与讨论

2.1 La-TiO₂光催化降解亚甲基蓝

350 ℃热处理催化剂样品紫外光照的UV-Vis谱图如图1所示。

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	图 1 350 ℃热处理催化剂样品紫外光照的UV-Vis谱图Figure 1 UV-Vis spectra for photocatalytic degradation of methylene blue on La-TiO₂ after heat treatment at 350 ℃

从图1可以看出, 亚甲基蓝吸收峰在664 nm、294 nm和246 nm处, 其中, 664 nm处的吸收峰强度最高。以664 nm处的吸收峰为参照, 计算降解率。从图1还可以看出, 随着紫外光照时间延长, 亚甲基蓝吸收峰强度下降, 未出现其他吸收峰, 表明亚甲基蓝被光催化降解, 并且降解过程无二次反应。

不同热处理温度对La-TiO₂光催化活性的影响如图2所示。由图2可以看出, 550 ℃热处理后La-TiO₂光催化活性最高。

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	图 2 不同热处理温度对La-TiO₂光催化活性的影响Figure 2 Effect of different heat treatment temperatures on photocatalytic activity of La-TiO₂ photocatalyst

一级动力学模型常用于研究光催化降解有机分子过程^[10], 表达式为:ln $\begin{matrix} \frac{c}{c_{0}} \end{matrix}$ =-kt, 式中, k为反应动力学常数, t为反应时间。不同热处理温度La-TiO₂光催化反应动力学拟合曲线如图3所示。

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	图 3 不同热处理温度La-TiO₂光催化反应动力学拟合曲线Figure 3 Fitting curves of photocatalytic reaction kinetics of La-TiO₂ photocatalyst obtained at different heat treatment temperatures

由图3可以看出, 550 ℃热处理后, La-TiO₂光催化活性提高, k=0.002 201 min^-1; 750 ℃时, k=0.001 047 min^-1。

2.2 FT-IR

不同热处理温度La-TiO₂的IR谱图如图4所示。

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	图 4 La-TiO₂热处理样品的IR谱图Figure 4 IR spectra of La-TiO₂ photocatalyst obtained at different heat treatment temperatures

由图4可见, 未热处理La-TiO₂在3 448 cm^-1处的吸收峰为物理吸附水的O— H键的伸缩振动, 1 620 cm^-1处为Ti— H键的特征峰, 1 346 cm^-1处为Ti— O— H键的弯曲振动, 1 107 cm^-1处为Ti— O键的吸收峰。热处理后的La-TiO₂在997 cm^-1处出现吸收峰, 这是由于锐钛矿相TiO₂生成了金红石相TiO₂。

2.3 UV-Vis DRS

不同热处理温度La-TiO₂的UV-Vis DRS谱图如图5所示。由图5可以看出, 与未热处理的La-TiO₂相比, 热处理后的样品吸收波段集中在近紫外, 在可见光波段几乎无吸收。

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	图 5 不同热处理温度La-TiO₂的UV-Vis DRS谱图Figure 5 UV-Vis DRS spectra of La-TiO₂ photocatalyst obtained at different heat treatment temperatures

3 结论

热处理的La-TiO₂对亚甲基蓝的光催化降解过程符合一级动力学模型, 550 ℃热处理的La-TiO₂光催化活性最高, 光催化反应动力学常数k=0.002 201 min^-1。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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Wang

Xiquan

, Zhao

Dand an

, Yu

Lihong.

Study on degradation of methylene blue by graphene/TiO₂[J]. Environmental Engineering, 2015, 33(2): 38-42.

摘　要：以钛酸丁酯和氧化石墨烯为前驱物,通过水热法制备石墨烯/二氧化钛（GR/TiO2）复合光催化剂。采用XRD、TEM和FT-IR等技术手段对GR/TiO2粉体的结构和形貌进行了表征。利用对亚甲基蓝光催化降解,考察了GR/TiO2的光催化降解能力,并研究了H2O2用量和p H等因素对光催化降解速率的影响。结果表明：复合催化剂中,TiO2为锐钛型晶体,粒径为25 nm左右,分散在薄纱状的石墨烯上;复合催化剂通过紫外光下光催化性能有所提高,对可见光产生响应,具有良好的稳定性;加入适量H2O2能提高反应速率,碱性条件下,对亚甲基蓝的降解效率更高。

... 亚甲基蓝是一种极具代表性的偶氮类染料,其芳香结构不易被破坏,常规方法较难彻底降解,但亚甲基蓝在光催化体系中能被强氧化剂彻底氧化,降解成H₂O和CO₂等无毒、无害的小分子物质^[1],常被作为光催化降解的研究对象 ...

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张广心, 董雄波, 郑水林. 纳米TiO₂/硅藻土复合材料光催化降解作用研究[J]. 无机材料学报, 2016, 31(4): 407-412.

Zhang

Guangxin

, Dong

Xiongbo

, Zheng

Shuilin.

Photocatalytic performance of nano-TiO₂/diatomite composite[J]. Journal of Inorganic Materials, 2016, 31(4): 407-412.

Nano-TiO 2 /diatomite composite was synthesized by hydrolysis-deposition method using diatomite as supporter and titanium tetrachloride as precursor. The prepared composite was characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and N 2 adsorption-desorption. The photocatalytic property of composite was determined by Rhodamine B as a target pollutant. The effects of various parameters that affect the photocatalytic properties of composite were studied. The results show that anatase TiO 2 loaded on the surface of diatomite in agglomerate and disperse states. The catalyst dosage, dye solution pH, inorganic ions and illumination intensity could affect the photocatalytic activity of TiO 2 /diatomite composite in different degrees. The photocatalytic degradation rate of Rhodamine B was up to 99.8% under the conditions as follows: 10 mg/L initial dye concentration, 1.0 g/L catalyst dosage, 300 W UV light intensity, and 60 min illumination time.

(School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

以硅藻土为载体, 四氯化钛为前驱体, 采用水解沉淀法制备了纳米TiO 2 /硅藻土复合材料。结合XRD、SEM、氮气吸脱附等表征手段, 探究了复合材料对罗丹明B的光催化性能, 对影响复合材料光催化性能的因素进行了研究。结果表明: 锐钛矿型纳米TiO 2 以团聚体和分散状负载于硅藻土表面。催化剂用量、染料溶液pH、无机离子、光照强度等因素都会在不同程度上影响TiO2/硅藻土复合材料的光催化性能。在染料初始浓度为10 mg/L, 催化剂用量1.0 g/L, 紫外光强度为300 W, 光照60 min的条件下, 罗丹明B光催化降解率达到99.8%。

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张拦, 杨瑞先, 丁梧秀. 硫镧共掺杂纳米TiO₂的制备及甲醛降解性能研究[J]. 功能材料, 2016, 47(3): 3120-3124.

Zhang

Lan

, Yang

Ruixian

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Research on the preparation of S and La co-doped nano-TiO₂ and its photocatalytic properties of degradation for formaldehyde[J]. Journal of Functional Materials, 2016, 47(3): 3120-3124.

... 稀土离子La的掺杂可以有效抑制TiO₂晶型的转变,增大比表面积,提高光催化性能^[5,6] ...

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... 稀土离子La的掺杂可以有效抑制TiO₂晶型的转变,增大比表面积,提高光催化性能^[5,6] ...

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... TiO₂的光催化活性主要与其晶型结构、晶粒尺寸、比表面积及热稳定性等有关,而这些因素主要由制备过程中的温度控制方式控制^[7,8] ...

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... TiO₂的光催化活性主要与其晶型结构、晶粒尺寸、比表面积及热稳定性等有关,而这些因素主要由制备过程中的温度控制方式控制^[7,8] ...

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... 2 催化剂制备及热处理催化剂制备参考文献^[9],将催化剂样品放入马弗炉进行热处理,热处理温度分别为350 ℃、550 ℃和750 ℃,热处理时间1 h ...

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... 一级动力学模型常用于研究光催化降解有机分子过程^[10],表达式为:ln cc0=-kt,式中,k为反应动力学常数,t为反应时间 ...