硅藻土负载片状TiO2/Ag光催化剂的制备与性能研究

◎董明轩 王国庆 杨春梅 张旭

引言：硅藻土主要成分为SiO2,它是一种生物沉积硅质岩，在吉林省长白山地区储藏丰富、价格低廉，且本身具有大量而有序排列的微孔、比表面积大、化学性质稳定等优点，可以作为催化剂载体、填充剂、过滤材料等。硅藻土表面含有大量的硅羟基和羟基更加有利于气体分子在其表面的吸附，因此硅藻土作为光催化剂的载体更有利于提高光催化气体分子的降解。

近年来，制备具有裸漏高活性晶面的半导体氧化物引起了越来越多的研究兴趣。一些研究表明锐钛矿型二氧化钛单晶的不同面可能表现出不同的物理性质和化学性质。在二氧化钛的（001）面中，氧原子和钛原子高度共面，导致在光激发和电荷转移过程中电子和空穴的复合概率较高。而对于（001）晶面，氧和钛的原子层在空间处于分离状态，可以有效地促进光生电子-空穴对的分离和转移。在晶面杂乱的二氧化钛晶体中，由于它们原子排列的不规则，只有一小部分电子和空穴转移到二氧化钛晶体的表面，并且（001）面可能作为光生电子-空穴对的复合中心，所以光催化效果不如具有大面积裸露的高活性晶面的TiO2催化效果好。由此可见，我们利用硅藻土负载片状TiO2/Ag制备光催化剂，有利于促进光生电子-空穴对的分离和转移，提高其光催化性能。

实验部分：

室温下，在烧杯中加入0.31ml HCl(36-38wt%)，在剧烈搅拌中加入0.55ml异丙醇钛,搅拌15min后，加入乙醇和P123的混合物，搅拌30 min后加入20ml乙二醇后再搅拌30分钟。将上述混合溶液转移至水热釜中加热185℃恒温5、10、15和24h，冷却至室温，离心洗涤干燥，加热至500℃恒温4小时，获得片状TiO2白色粉末，分别标记为TiO2-5，TiO2-10，TiO2-15和TiO2-24。取一定量的TiO2-5，TiO2-10，TiO2-15和TiO2-24粉末与质量分数为2%的0.01mol/L硝酸银溶液混合，暗室下超声30min然后搅拌30min，用300W氙气灯照射4分钟，将得到的产物用乙醇和水洗涤各洗涤两次，放入烘箱中干燥，得到产物TiO2/2%Ag-5，TiO2/2%Ag-10，TiO2/2%Ag-15和TiO2/2%Ag-24。然后利用浸渍法制备硅藻土负载片状TiO2/Ag复合光催化剂。

结果与讨论：

紫外-可见光漫反射吸收主要是确定光催化的能带宽带以及测定光催化剂的光响应范围，图1为硅藻土负载的TiO2/2%Ag-5，TiO2/2%Ag-10，TiO2/2%Ag-15和 TiO2/2%Ag-24的紫外可见漫反射光谱。通过图可以看出在400-500可见光区域尤其是450nm附近，材料表现出一定的吸光度，这是由于在复合催化剂表面的银纳米粒子表面等离子体共振所引起的。

图1 硅藻土负载片状TiO2/Ag的漫反射吸收光谱

通过分析硅藻土负载的 TiO2/2%Ag-5，TiO2/2%Ag-10，TiO2/2%Ag-15，TiO2/2%Ag-24的带边吸收波长分别为385、381、379和391 nm根据公式：

通过带边吸收波长可以计算出所制备样品的TiO2的能带宽度分别为3.22、3.25、3.27和3.17eV，可以发现TiO2能带随着反应条件的改变而发生了明显改变，其中反应时间为24h样品的能带宽度最低。

我们按照《公共场所空气中甲醛测定方法》GB/T18204.26-2016国家标准——酚试剂分光光度法对光催化甲醛气体分子性能进行了检测，结果如图2所示。图2是甲醛的吸收降解曲线和空气中甲醛浓度随时间变化曲线。比较几种光催化剂（图2a），发现硅藻土负载TiO2/2%Ag-15的催化性能是最高的，一小时以内甲醛的浓度降低了36%,TiO2/2%Ag-5，TiO2/2%Ag-5 TiO2/2%Ag-24的催化效率分别为16%、17%和13%。图2b显示了硅藻土负载TiO2/2%Ag-15光催化剂在20小时内几乎将环境中的甲醛完全降解。

图2 a：可见光照下，不同催化剂的甲醛浓度随时间变化曲线；b：可见光照下硅藻土负载TiO2/2%Ag-15对空气中甲醛的降解曲线。

结论

我们利用简单的水热法和浸渍法成功的制备了四种硅藻土负载片状TiO2/Ag光催化剂，紫外-可见漫反射光谱表明光催化剂在400-500可见光区域尤其是450nm附近，表现出较好的可见吸收。光催化剂催化性能表明硅藻土负载TiO2/2%Ag-15的催化性能是最好，一小时以内甲醛的浓度降低了36%，20h内可将环境中甲醛分解完全。