TiO2/Fe3O4复合光催化剂的制备、表征及光催化性能研究

*李鑫 段莉梅 桑海迪 邢艳娇

(1.通辽市科尔沁区环境保护局 内蒙古 028000 2.内蒙古民族大学化学化工学院 内蒙古 028000)

TiO2/Fe3O4复合光催化剂的制备、表征及光催化性能研究

*李鑫1段莉梅2桑海迪2邢艳娇1

(1.通辽市科尔沁区环境保护局 内蒙古 028000 2.内蒙古民族大学化学化工学院 内蒙古 028000)

采用化学共沉淀法制备磁性纳米Fe3O4作为磁载体,以溶胶-凝胶法制备TiO2/Fe3O4复合光催化剂,采用XRD、红外光谱分析等手段对其表征.以亚甲基蓝水溶液为模拟污染物,测试TiO2/Fe3O4复合光催化剂的光催化性能,光照30分钟后,亚甲基蓝的脱色率可达到96.5%.汞灯照射下催化剂的重复循环三次的效率也可以达到95%,通过多次循环利用催化剂测试亚甲基蓝的降解率,TiO2具有较高的光稳定性和反应活性,是一个能高效光催化降解有机污染物的催化剂.

磁性光催化剂;亚甲基蓝;光催化;降解率

磁性光催化剂产生于光催化领域,常见的光催化剂多为金属氧化物和硫化物.TiO2具有良好的抗光腐蚀性和催化活性,而且性能稳定,价廉易得,无毒无害,是目前公认的最佳光催化剂,所以说TiO2是一种高活性的光催化剂.该项技术不仅在废水净化处理方面具有巨大潜力,还在空气净化方面同样具有广阔的应用前景.

1894年,Fenton H J.发现了芬顿试剂后,进行了氧化苹果酸的实验,并取得了较好的效果.Fenton反应以Fe2+作为其催化剂,通过催化H2O2产生HO•,利用其超强的活性和氧化性(氧化电位2.8ev),其电子亲和能则能达到569.3kJ .

本文通过共沉淀法制备Fe3O4,然后通过溶胶-凝胶的方法制备复合催化剂.将两种氧化物通过化学键进行重组,既增强复合催化剂的反应活性,又增强了他们的循环稳定性.

1.材料与方法

(1)材料与主要试剂:三氯化铁(西陇化工 分析纯);无水乙醇(天津市风船化学试剂 分析纯);硫酸亚铁(西陇化工 分析纯);次甲基蓝(天津市东丽区天大化学试剂分析纯);过氧化氢溶液(天津市光复精细化工研究所 分析纯).

(2)实验方法

Fe3O4样品制备采用共沉淀法制备Fe3O4,主要步骤如下:分别将FeCl3和FeSO4(Fe3+与Fe2+的摩尔比为1:1),将两种固体混合后溶于蒸馏水中搅拌完全溶解,缓慢滴加浓度为1mol/L氢氧化钠的溶液,直至溶液体系pH值为11.然后在60℃水浴下反应2h,磁力沉降,将所得的黑色沉淀分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤3-5遍后,减压抽滤,50℃下真空干燥,最后自然冷却后得到Fe3O4样品.

TiO2/Fe3O4复合催化剂的制备 取0.377g Fe3O4粉末,尿素2.07g蒸馏水80mL,一定量的硝酸,调节pH=2,形成A溶液.P25 2g,无水乙醇10mL,超声分散15min,形成B溶液.将B滴加到A中,70℃水浴加热,高速搅拌3h,室温陈化3.5h,去离子水洗三次,乙醇洗涤两次,用磁铁进行分离,100℃干燥3h,即可得到灰色的TiO2/Fe3O4复合催化剂.

光催化实验:取100毫升10mg/L的亚甲基蓝溶液和20mg催化剂,把反应器放入到避光箱内,打开磁力搅拌器,在避光条件下搅拌30min,使催化剂在黑暗状态下吸附染料,并使其混合均匀,然后测量pH值,搅拌均匀后立即取出部分试样放入离心机中离心,之后取其上层清液利用紫外可见分光光度计测其吸光度,打开循环水,将混合溶液放入到250 W高压汞灯下照射,每隔20min取一次样,离心后取其上层清液测其吸光度.

2.结果与分析

(1)X-射线粉末衍射分析:TiO2,Fe3O4,TiO2/Fe3O4复合催化剂的X-射线粉末衍射图见图1,在30.1°,35.5°,37.1°,43.0°,56.9°,62.5°出现了明显的Fe3O4特征衍射峰,分别对应Fe3O4的(112)(211)(202)(220)(303)(224)晶面,所以出现的衍射峰对应于Fe3O4的斜方晶面,说明我们合成的Fe3O4具有较高的纯度和结晶度.

图1 TiO2,Fe3O4,TiO2/Fe3O4复合催化剂的X-射线粉末衍射图

(2)红外图谱分析TiO2,Fe3O4,TiO2/Fe3O4复合催化剂的红外图谱分析见图2,在580cm-1处出现了Fe-O典型的伸缩振动.Fe3O4/TiO2的红外谱图中位于500-900cm-1的峰为Ti-O-Ti的振动峰.

图2 TiO2,Fe3O4,TiO2/Fe3O4复合催化剂的红外图谱

(3)样品的磁性测试与重复使用性能.图(a)为TiO2/Fe3O4与水溶液混合照片,在室温下可以均匀分散在水中,图(b)为外加磁场的作用下所制备的TiO2/Fe3O4与水溶液分离情况照片,由图可见,降解反应结束后,借助外加磁场可以在2min之内将催化剂从溶液中分离出来.

图3 催化剂的磁性测试照片

(4)汞灯照射下催化剂对亚甲基蓝降解率的影响.亚甲基蓝初始浓度为10mg/L、20mgFe3O4为催化剂,汞灯照射下,120 min时次甲基蓝的降解率不到30%;相同条件下,以TiO2/Fe3O4为催化剂时,亚甲基蓝的降解率可达到90%以上.

图4 汞灯照射下催化剂对亚甲基蓝降解率的测定

(5)催化剂的循环稳定性.在相同实验条件下,通过测定催化剂对10mg/L的亚甲基蓝染料的三次循环使用后的降解率,该催化剂三次重复使用后,虽然染料的降解率随着使用次数的增加呈下降趋势,但是光照120min后达到的亚甲基蓝降解率高于80%,表明该催化剂多次循环使用后仍然有较好的光催化活性,易于回收,重复使用.

图5 汞灯照射下催化剂循环稳定性的测定

3.结论

本文通过共沉淀法制备出了Fe3O4,再与P25进行复合,制备出TiO2/Fe3O4复合催化剂.使用X-射线粉末衍射和红外光谱分析,对其进行了表征.实验表明,TiO2/Fe3O4复合催化剂对降解亚甲基蓝具有较高的活性和良好的循环稳定性,同时TiO2/Fe3O4复合光催化剂可以磁性回收重复循环使用,有利于实际应用.

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李鑫(1988-),男,通辽市科尔沁区环境保护局;研究方向:无机化学、环境化学.

Preparation, Characterization and Photocatalytic Properties of TiO2/Fe3O4Photocatalyst Composites

Li Xin1, Duan Limei2, Sang Haidi2, Xing Yanjiao1
(1. Horqin Environmental Protection Bureau, Tongliao, Inner Mongolia, 028000

2. College of chemistry and chemical engineering Inner Mongolia University for the Nationalities, Inner Mongolia, 028000)

By chemical prepare magnetic Fe3O4as the magnetic of TiO2composite sol-gel chemical method prepare magnetic Fe3O4as the magnetic carrier and preparation of TiO2/Fe3O4composite by sol-gel method, performance test of TiO2/Fe3O4composite, light after 30 minutes,blue rate can reach the catalyst 96.5 percent. light beam the catalyst cycle repeats 3 times the efficiency can also be reached 95 percent, and the many recycling catalyst test Blue degradation rate, TiO2has a high optical stability and response reactive, and is an efficient light-catalyzed organic pollutants as a catalyst .

magnetic photocatalyst;methylene blue;photocatalytic;degradation rate

O

A