SrTiO3粉体的水热法合成和光催化性能*

沈 清

(陕西科技大学材料学院 西安 710021)

SrTiO3粉体的水热法合成和光催化性能*

沈 清

(陕西科技大学材料学院 西安 710021)

应用水热法合成了纳米SrTiO3和TiO2粉体。应用XRD和SEM对粉体进行了分析和表征。XRD分析表明，TiO2和SrTiO3粉体分别为纯的锐钛矿相和立方尖晶石晶体，粒子尺寸分别约为12.2 nm和25.3 nm。两粉体上的甲基橙溶液光催化降解实验表明，起始溶液pH值和H2O2对光催化性能有显著影响。低的pH=5和H2O2更有利于两种粉体对甲基橙溶液的光降解。尽管SrTiO3比TiO2有较大的粒子尺寸，在pH=5和存在H2O2的情况下SrTiO3比TiO2有更大的降解效率。

SrTiO3TiO2水热合成 纳米粉体 光降解 废水处理

前言

由染料和纺织工业产生的含染料废水一般有很重的颜色和有机物含量，对环境污染严重。少量的染料可以在水中产生很重的染色减少光线进入水中，从而阻碍水中正常的光合成和分解。因此纺织业产生的废水必须首先脱色，这在近年得到大量的关注。

近年来，人们开发出了好几种环境净化技术，如水的光催化处理、环境污染物的气－固光催化氧化等。TiO2作为光催化剂由于具有优异的光催化性能得到普遍关注。SrTiO3是具有与TiO2有相近光带隙(3.2 eV)的半导体。近年已经有很多SrTiO3光催化性能的研究［1～8］。研究表明，SrTiO3和取代SrTiO3粉体具有比TiO2粉体更优异的光催化性能。

SrTiO3粉体的合成有很多方法，包括溶胶 －凝胶法［9］、燃烧法［10］、水热法［11］等。通常水热法合成的粉体具有更小的粒子尺寸和小的粒子粘连性。相对TiO2粉体而言，SrTiO3粉体的合成需要更高的合成温度和时间。此外，很多研究发现，H2O2和pH值会显著影响TiO2粉体的光催化性能，但对SrTiO3的光催化性能影响还很少有研究报道。笔者介绍了SrTiO3和TiO2粉体的水热合成和溶液起始pH值和H2O2对两种粉体的光降解性能的影响。

1 实验步骤

实验所用原料都是分析纯。SrTiO3粉体的合成:首先将酞酸四丁酯(98%，Ti［CH3(CH2)3O］4，成都昆仑化工厂)溶于乙二醇(98.5%，HOCH2CH2OH，西安化工厂)，等摩尔量的氯化锶(96.5%，SrCl2·6H2O，西安化工厂)溶于去离子水。两种溶液的离子浓度都为0.01 M。搅拌的同时缓慢地加入NaOH水溶液至pH值接近9。溶液中迅速形成白色的沉淀。两种氢氧化物先驱体混合在一起磁力搅拌1 h后放入高压釜中。高压釜密封后首先在80℃保温8 h，然后在175℃水热反应24 h。炉内自然冷却后过滤，用去离子水反复洗涤，最后在100℃干燥24 h。

TiO2粉体的合成:首先将酞酸四丁酯溶于乙二醇，溶液的离子浓度都为0.01 M。搅拌的同时缓慢地加入NaOH水溶液至pH值接近9，溶液中迅速形成白色的沉淀。将氢氧化物先驱体放入高压釜中，高压釜密封后在175℃水热反应2 h，炉内自然冷却后过滤，用去离子水反复洗涤，最后在100℃干燥24 h。应用X射线衍射仪(XRD，CuKα1，λ =0.154 06 nm，Model No:D/Max －2200PC，Rigaku，Japan)鉴定合成粉体的晶相。粉体的粒子尺寸由XRD衍射仪配备的Jade5分析软件确定。应用扫描电子显微镜(SEM，Model No:JXM－6700F，Japan)分析粉体的形貌和粒子尺寸。

光催化实验在玻璃烧杯中进行。在玻璃烧杯中加入100ml浓度为6×10－6M的甲基橙水溶液，分别加入100 mg的SrTiO3和100 mg的TiO2粉体。在超声分散仪(40kHz，型号:KQ－5200DE，中国)上以100W的功率分散5min，使粉体和溶液充分混合接触。以春天8:00～18:00的太阳光作为光源。此外，在3种pH值(5，7和9)的甲基橙水溶液(用HCl和NaOH水溶液调节)以及甲基橙水溶液中加入2ml的H2O2(30%)情况下进行相同实验。光催化不同时间后甲基橙水溶液的光吸收率应用WFZ－900D4型分光光度仪测试。为了减小实验误差，所有光催化实验在同一天进行。

2 结果和讨论

应用水热法合成的TiO2和SrTiO3粉体都为白色的松软粉体。粉体的XRD分析(见图1)表明TiO2粉体为纯的锐钛矿相、SrTiO3粉体为立方尖晶石。XRD衍射图中最强峰对应的TiO2和SrTiO3粉体的粒子尺寸分别为12.2 nm 和 25.3 nm。

图2为TiO2和SrTiO3粉体的SEM照片。由图2可见，两种粉体的离子均为均匀的球形粒子，平均粒子尺寸分别约为15 nm和25 nm，与XRD分析结果一致。应用平均粒子尺寸(s，nm)和粉体的密度(d，TiO2:4.1 g/cm3，SrTiO3:5.13 g/cm3)应用下式可以近似计算两种粉体的比表面积(SBET):

计算的比表面积SBET分别为TiO2的119.9 m2/g和 SrTiO3的46.2m2/g。

图1 SrTiO3(a)和TiO2(b)粉体的XRD图谱

图2 SrTiO3(a)和TiO2(b)粉体的SEM照片

图3 3种pH值条件下SrTiO3(a)和TiO2(b)粉体上甲基橙水溶液光吸收率随光照时间的变化

图4 H2 O2对SrTiO3和TiO2粉体上甲基橙水溶液光吸收率随光照时间的变化的影响关系

图3为3种pH值条件下SrTiO3和TiO2粉体上甲基橙水溶液光吸收率随光照时间的变化。图4为H2O2对SrTiO3和TiO2粉体上甲基橙水溶液光吸收率随光照时间的变化的影响关系。尽管SrTiO3的比表面积只有TiO2粉体的39%左右，但3种pH值条件下两种粉体的光催化效率的平均值相近，当pH=5以及H2O2存在时SrTiO3粉体的光催化效率优于TiO2粉体。对于SrTiO3粉体而言，较低的和较高的pH值更有利于甲基橙水溶液的光催化分解。H2O2显著地加速了粉体上甲基橙水溶液的分解，而且对SrTiO3粉体上的作用更为显著。

3 结论

应用水热法合成了SrTiO3和TiO2的纳米粉体。两种粉体有小的粒子尺寸和均匀的球形形貌。两种粉体对甲基橙水溶液有较好的光催化活性。尽管SrTiO3粉体比TiO2粉体的粒子尺寸较大，但在3种pH值(5、7、9)条件下两种粉体对甲基橙水溶液的平均降解率相近。当pH=5和H2O2存在的情况下SrTiO3粉体具有比TiO2更优越的光催化降解染料的活性。

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TG133

A

1002－2872(2011)11－0045－03

陕西科技大学自然科学基金项目(ZX10－17)资助。

沈清(1968－)，大专，高级实验师;主要从事材料科学研究和材料热分析工作。E－mail:shenq@sust.edu.cn