中空核壳型光催化剂Co3O4@TiO2的制备及其降解优化

徐 榕，贾 碧，陈思静

（重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆 401331）

自二十世纪末至今，随着社会不断的向前发展，我国经济的增长以及工业水平的不断提高，但各种合成有机化合物以各种方式进入水和大气，使我们生活的环境受到严重污染，我国饮用水源水质也在恶化。水污染已经严重影响到了人们的正常生活，是一个亟待解决的热点问题。光催化降解一种新型高效、经济、环保的水污染治理技术[1]，它是在光照下催化剂被激活以达到催化效果。光催化剂的活化条件为光照，在黑暗条件下其催化活性相对较低，而在光照条件下其催化活性迅速增加。光催化技术具有反应速度快、能耗低、反应温和以及对反应物无选择性完全矿化等优点，是近二十年来废水处理领域的研究热点[2]。

响应面模型是一种分析实验数据、优化实验条件的统计数学模型，在应用化学、环境科学、食品科学和生物技术等领域得到广泛地应用。本文制备了中空核壳型Co3O4@TiO2复合光催化剂，采用三因素三水平实验结果构建响应面数学模型，以期为光催化在降解领域的应用推广提供依据。

1 实验

1.1 实验材料

硝酸钴，六水（分析纯，上海鼎芬化学科技有限公司）；氨水（分析纯，重庆吉元化学有限公司）；钛酸丁酯（分析纯，天津市福晨化学试剂厂）；氟硼酸钾（分析纯，天津市福晨化学试剂厂）；双氧水（分析纯，天津政成化学制品有限公司）。

1.2 光催化剂制备

采用软膜板法制备中空Co3O4微球，进而结合溶剂热法在其表面包覆TiO2壳，制备出中空核壳型Co3O4@TiO2光催化剂。

1.3 实验对象

以罗丹宁B为目标污染物，采用去离子水进行稀释，以HNO3溶液以及NaOH对目标污水的pH进行调节。

罗丹宁B脱色率采用比色法进行表征[3]，公式为：

其中，C0为罗丹宁B溶液初始浓度，Ct为光照时间为t时的浓度。

2 实验结果及分析

2.1 XRD分析

图1分别为 Co3O4微球，TiO2微球以及Co3O4@TiO2核壳微球XRD图谱。由图1可知，所制备的Co3O4为尖晶石型结构，TiO2为锐钛矿型结构，Co3O4@TiO2包含了Co3O4以及TiO2的衍射峰，证明实验成功制备了Co3O4@TiO2复合微球。

图 1 (a)Co3O4@TiO2（b）TiO2(c)Co3O4微球的XRD图谱

2.2 响应面拟合

在初始浓度已知且恒定的条件下，选取初始pH，光照强度以及催化剂浓度作为影响因素，单因素试验反映了初始pH为6～10，光照强度为12～24μW/cm2，催化剂投入量为 60～100mg/L。在此基础上采用三因素三水平实验，使用BBD法可得罗丹宁B脱色率与各因素之间的拟合模型：

其中，Q表示罗丹宁B脱色率（%），A表示初始pH，B表示光照强度，C表示催化剂浓度。模型R2=0.9947，RAdj2=0.9853，RPred2=0.9162，可知构建模型可拟合该实验，具有参考价值。

2.3 二次回归拟合及ANOVA分析

通过检验模型各因素的显著性，所得结果如表1所示。由P＜0.0001可知该模型显著回归，F检验结果显示模型中的各因素贡献率初始催化剂浓度＞pH＞光照强度。

表1 回归模型方差分析

分别以考虑的因素两两为坐标轴，做3D响应曲面图[4]，如图2所示。

图2 （a）pH与光照强度（b）pH与催化剂浓度（c）光照强度与催化剂浓度交互响应曲面图

由3D响应曲面图（图2）可知，各参数之间交互性较弱，可以忽略，且可知所考察因素条件下，最佳降解条件为：初始pH=8，光照强度=18μW/cm2，催化剂浓度为80mg/L。

3 结论

采用溶剂热法制备了中空核壳型Co3O4@TiO2微球并用于降解污水，考虑的参数条件为初始pH，光照强度及催化剂加入浓度。最佳降解条件为初始pH=8， 光照强度=18μW/cm2，催化剂浓度为80mg/L。