N—S—Ce共同掺杂二氧化钛及光催化活性研究

胡华国

摘要：用溶胶 凝胶法制备N、s和Ce共同掺杂的Ti02粉体降解甲基橙溶液。同未掺杂，N、s以及Ce单掺杂的Ti02粉体进行对比，系统研究了影响降解甲基橙溶液的因素。结果显示，三元素共同掺杂较未掺杂或单掺杂具有明显的催化效果，并发现煅烧温度在5000C、甲基橙溶液在pH为7时，降解效果最佳。

关键词：共掺杂；甲基橙；光催化

中图分类号：TQ032文献标识码：A

光催化氧化法是一种较为满意的处理方法，国内外对此进行了大量研究[1]。Ti02是一种光催化活性高、无毒、化学稳定性好、耐光腐蚀、成本低廉的光催化剂，在抗菌、光降解有机物、空气净化等方面都有广泛的应用前景。Ti02是宽禁带半导体，只有在λ≤387nm的紫外光照射下才能体现其光催化活性，而辐射到地面的紫外光部分仅占太阳光的4%，使得太阳能的利用率很低。因此，窄化Ti02的禁带宽度，提高Ti02对太阳能的利用率成为光催化技术的重要研究课题之一。 本文采用溶胶 凝胶法制备N、S和Ce共同掺杂的Ti02粉体降解甲基橙溶液，系统考察了焙烧温度、不同溶液pH、降解时间、溶液初始浓度对光催化活性的影响。

1 实验部分

配置一定量的饱和尿素溶液备用。将钛酸四丁酯（CP）与乙醇按体积比为1：1.5混合搅拌形成A溶液，再将饱和尿素溶液、硫脲、水合硝酸铈搅拌形成B溶液，匀速将A溶液（ 2mL/min）滴加到B溶液中，滴加完毕继续搅拌4h，将反应物恒温干燥（650C）烘干48h，玛瑙研钵研磨后，高温焙烧，即得到掺杂Ti02光催化剂。

2 光催化活性研究

2.1 焙烧温度对共掺杂光催化剂影响

光催化剂在空气环境下，分别在3000C、400℃、500℃. 600℃、700℃下煅烧2h，然后自然降至室温。可见以光钨灯为光源，研究同等条件下不同焙烧温度对甲基橙降解率的影响。

降解率D%=（1-A1/A2）×100%

式中：D为降解率，A1为溶液反应后吸光度，A2为溶液初始吸光度。

二氧化钛有3种晶型，分别是锐钛矿、金红石和板钛矿。由文献查阅，在450℃焙烧可形成锐钛矿型，随着温度提升逐步转变为金红石型。从表1可以得出，从500℃开始随着焙烧温度提升，掺杂二氧化钛晶型转变，活性逐步降低。

从表l及表2可以看出，以钨灯可见光为光源，N-S- Ce共同掺杂后催化剂活性表现提升。单掺杂和未掺杂相比较，催化剂活性提高较低，三掺杂较未掺杂及单掺杂催化活性提升较大。原因可能是三掺杂较其他催化剂有较高的比表面积，能产生更多的羟基自由基，具有更好的可见光吸收性，接触甲基橙更多，光催化活性提升的也较多。

2.2 不同pH条件下制备光催化剂对甲基橙降解性能影响

取30mL不同pH甲基橙溶液，加入5mg自制催化剂，避光搅拌lOmin达到吸附平衡，以可见光钨灯为光源，每隔30min取样一次，用cary-5000型紫外/可见分光光度计测定吸收光谱，计算降解率如表3。

2.3 甲基橙初始浓度对光催化活性研究

取30mL不同濃度的甲基橙溶液，以可见光钨灯为光源，500℃焙烧，pH为7时，得到表4掺杂光催化剂降解不同初始浓度溶液降解率变化曲线。

可以得出，随着初始浓度增大，催化活性降低。在光照时间及催化剂浓度一定的情况下，经光激发后，催化剂表面羟基自由基数目是一定的。因此，反应物分子越多，受到空穴和羟基自由基攻击的概率越小。当甲基橙溶液浓度增大时，催化剂比表面积一定，吸附在催化剂表面的有机物浓度必然降低，从而降低了降解率。

3 结论

以甲基橙溶液为处理对象，研究了共掺杂光催化剂性能并在同等条件下比较了未掺杂和单掺杂纳米二氧化钛光催化活性。实验表明，以可见光为光源照射时，三元素共掺杂二氧化钛具有更好的光催化活性。在焙烧温度为500℃时，共掺杂活性最高。pH为7时，降解效果最佳。

参考文献

[1]焦伟祥，陈微微，雷鸣，等，醇溶性n型自掺杂富勒烯铵[A].中国化学会第29届学术年会摘要集——第25分会：有机光伏[C].2014.