新型载体负载二氧化钛光催化剂的开发及性能研究

张珊珊，何媛媛，鲁海妍，孔晓彦

新型载体负载二氧化钛光催化剂的开发及性能研究

张珊珊，何媛媛，鲁海妍，孔晓彦

（青海省地质矿产测试应用中心，青海 西宁 810000）

采用溶胶-凝胶法，选用硅藻土、铝粉、粉煤灰作为载体，制备负载型二氧化钛光催化剂，并以亚甲基蓝溶液为底物，以投加量、时间、TiO2与载体比例为影响因素，在每个因素下确定3个水平做3因素3水平正交试验，选出最优水平，并与无负载的二氧化钛催化效果做对比，研究负载后的光催化剂性能的变化。

硅藻土；铝粉；粉煤灰；光催化剂

近几十年来，半导体多相光催化技术被广泛的运用于污染治理，其中纳米TiO2因其在一定波长的光电子激发下可产生氧化能力极强的表面光生空穴，使它降解有害物质的能力很强。为了将纳米TiO2光催化技术运用到实际废水、废气处理中，可利用表面负载技术以提高TiO2光催化性能。常用的载体有活性炭、硅胶、分子筛、多孔陶瓷等，选用载体有利于光催化剂的失活再生及循环利用，在实际运用中可降低成本。本文选用硅藻土、铝粉、粉煤灰作为载体，研究表面负载技术对TiO2光催化性能的提高[1-5]。

1 负载型光催化剂的制备

1.1 载体的预处理

取一定量的载体，放入烧杯中，加入适量蒸馏水，煮沸，离心，反复洗涤3次后置于干燥器中，80 ℃下干燥24 h取出，待冷却后密封待使用。

1.2 负载型光催化剂的制备

取5 mL钛酸四丁酯溶液，在剧烈搅拌下逐滴加入 8 mL无水乙醇，0.5 h后向溶液中缓慢滴加一定量的冰乙酸并剧烈搅拌0.5 h制得溶液A；取8 mL无水乙醇，加入 1.7 mL冰醋酸及0.6 mL去离子水，置于烧杯中充分搅匀，将一定量的载体加入其中剧烈搅拌30 min制得溶液B；将溶液B滴加到溶液A中，剧烈搅拌后，形成透明溶胶，室温下陈化形成透明凝胶。将此凝胶在80 ℃下干燥24 h后研磨得到干燥粉体，再将粉体置于马弗炉中在500 ℃焙烧2 h，制得TiO2与载体比例分别为2∶1、3∶1、 4∶1的负载型光催化剂，另外制备一个无负载的纯相TiO2光催化剂（即TiO2与载体比例为1∶0），用以比较负载后的光催化剂性能是否有所提升[6-7]。

2 最优催化条件探究

在8 W的紫外灯照射下，调整灯距为10 cm，室温下，以20 mg·L-1的亚甲基蓝溶液为底物，在剧烈搅拌下每隔20 min取出部分溶液，离心后测吸光度，再倒进原溶液中，通过正交实验选择负载后光催化剂降解的最佳条件。

2.1 不同催化剂投加量对降解效果的影响

取3个100 mL烧杯，均加入50 mL 20 mg·L-1的亚甲基蓝溶液，分别加入TiO2与载体比例最优的光催化剂0.05、0.10、0.15 g。

2.2 TiO2与载体比例对降解效果的影响

取3个100 mL烧杯，均加入50 mL 20 mg·L-1亚甲基蓝溶液，分别加入最优催化剂投加量下的TiO2与载体比例分别为2∶1、3∶1、4∶1的光催化剂。

2.3 负载不同时的催化效果对比

为了证明负载后的光催化剂性能优于无负载的光催化剂，做此对照试验。在同等条件下，取催化效果最优的负载型光催化剂，根据其二氧化钛含量计算出应该称取的负载型光催化剂质量，使其中所含的二氧化钛为最优投加量，与无负载的、催化剂投加量为最优投加量的实验组进行对照[8]。

表1 正交试验因素及水平

注：A—催化剂投加量，g；B—光催化反应时间，min；C—TiO2与载体比例。

3 光催化效率的研究

3.1 纯相TiO2光催化剂降解效果的测定

采用纯相的TiO2光催化剂，研究催化剂投加量为0.05、0.10、0.15 g时的光催化效果，见图1。

图1 无负载TiO2光催化剂降解率随催化剂投加量的变化

由图1可知，对无负载的TiO2光催化剂的光催化性能进行测定时，其降解效果随催化剂投加量的增大反而有所下降，这是因为催化剂投加量过大时，会使得溶液中的光催化活性中心减少，从而降低光催化效果。催化剂投加量为0.05 g时的光降解效果最好，在80 min处就能达到95.0%，说明该法制得的纯相TiO2光催化剂性能较好。

3.2 硅藻土/TiO2负载型光催化剂降解效果的测定

3.2.1 硅藻土/TiO2负载型光催化剂正交实验

硅藻土/TiO2负载型光催化剂正交实验试验结果如表2所示。

由表2可以看出， A、B、C 3个因素中，除时间外，TiO2与载体比例对最终降解率的影响最大，催化剂投加量对降解率的影响最小。因此，当催化剂投加量为0.15 g，光催化反应时间为60 min，TiO2与载体比例为3∶1时，降解效果最佳。

表2 硅藻土/TiO2负载型光催化剂正交试验结果

3.2.2 负载前后的催化效果对比

为了证明负载后的光催化剂性能优于无负载的光催化剂，做此对照试验。在同等条件下，取催化效果最优的TiO2与载体比例为3∶1的负载型光催化剂0.20 g，使其中所含的二氧化钛为0.15 g，与纯相、负载后催化剂投加量为0.15 g的实验组进行对照，结果见图2。

图2 负载前后的催化效果对比

由图2可知，实验组降解效果优于对照组，说明载体对于光催化剂的光降解效果有增强作用。但是与催化剂投加量为0.15 g时的降解效果对比，降解效果却有所降低，这是因为在催化剂投加量为 0.2 g时，溶液过于浑浊，对紫外线的散射以及屏蔽作用加强，影响了光线的吸收，使降解率下降。

3.3 铝粉/TiO2负载型光催化剂降解效果的测定

3.3.1 铝粉/TiO2负载型光催化剂正交实验

正交实验结果如表3所示。

表3 Al/TiO2负载型光催化剂正交试验结果统计

分析可知，对降解率的影响由大到小排序为B、A、C，即反应时间对降解率的影响程度最大。当催化剂投加量为0.10 g，光催化反应时间为60 min，TiO2与载体比例为4∶1时，光催化效果最佳。

3.3.2 负载前后的催化效果对比

为了证明以铝粉为载体的负载型光催化剂较于纯相的TiO2光催化剂性能有所提升，取TiO2与载体比例为4∶1的负载型光催化剂0.125 g，使其中所含的二氧化钛为0.10 g，与纯相、催化剂投加量为0.10 g的实验组对比，结果见图3。

图3 负载前后的催化效果对比

由图3可知，在催化剂中二氧化钛所含质量均为0.10 g时，负载后的光催化剂相比于无负载的光催化剂降低了，但是催化剂投加量为0.10 g的一组实验，降解效果却明显优于无负载的光催化剂。

3.4 粉煤灰/TiO2负载型光催化剂降解效果的测定

3.4.1 粉煤灰/TiO2负载型光催化剂正交实验

正交试验结果见表4。

表4 粉煤灰/TiO2负载型光催化剂正交试验结果

通过正交试验，发现A、B、C 3个因素光催化效果的影响程度由大到小为B、A、C，即反应时间对降解率的影响最大。当催化剂投加量为0.15 g，光催化反应时间为60 min，TiO2与载体比例为4∶1时，能得到的光催化效果最佳。

3.4.2 负载前后的催化效果对比

为证明以粉煤灰为载体的负载型光催化剂较于无负载的光催化剂性能有所提升，取TiO2与载体比例为4∶1的负载型光催化剂0.186 g，使其中所含的二氧化钛为0.15 g，与纯相对比，结果见图4。

由图4可知，当溶液中添加的光催化剂中所含的二氧化钛质量为0.15 g时，负载后的光催化剂在前80 min内的光降解效率远远大于无负载的光催化剂，但是在100 min至140 min，二者几乎持平。同样采用负载型光催化剂时，催化剂投加量为0.15 g的一组降解效果优于催化剂投加量为0.186 g的一组，原因可能是催化剂投加量过于大时，会导致溶液浑浊，过多的上层光催化剂阻挡了底层粉煤灰对紫外光的吸收，影响了光催化效果。

图4 负载前后的催化效果对比

4 结 论

硅藻土/TiO2负载型光催化剂在催化剂投加量为0.15 g、TiO2与载体比例为3∶1时光催化降解效果最好，在反应进行到140 min时能达到97.4%的降解率；铝粉/TiO2负载型光催化剂在催化剂投加量为0.10 g、TiO2与载体比例为4∶1时光催化降解效果最好，在反应进行到140 min时能达到97.3%的降解率；粉煤灰/TiO2负载型光催化剂在催化剂投加量为0.15 g、TiO2与载体比例为4∶1时光催化降解效果最好，最终能达到94.2%。通过对照实验发现硅藻土、铝粉负载后的光催化剂较于纯相二氧化钛光催化性能有所提升，但粉煤灰负载的光催化剂虽然在前80 min内效果远大于纯相TiO2，但最终效果与纯相的TiO2相差不多。

本课题受到“青海学者”的专项资助，在此表示感谢！

［1］陶咏，陈爱平，戴智铭，等．新颖负载型光催化剂的开发[J].华东理工大学学报，2001（6）：618-622．

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［3］韩兆慧，赵华侨.半导体多相光催化应用研究进展[J].化学进展，1999，11（1）：1-10.

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Study on Development and Properties of New Supported Titanium Dioxide Photocatalysts

,,,

(Qinghai Province Geology Ore Testing and Application Center, Xining Qinghai 810000, China)

Taking diatomite, aluminum powder and fly ash as carrier, supported titanium dioxide photocatalyst was prepared by sol-gel method. Taking methylene blue solution as substrate, choosing dosage, time, ratio of TiO2and carrier as influencing factors, three -factor and three-level orthogonal test was carried out to choose the best level and compare the performance of the supported photocatalyst with no supported TiO2. The change of the supported photocatalyst was studied.

Diatomite; Aluminum powder; Fly ash; Photocatalyst

青海学者资助，青人社厅函〔2019〕48号。

2020-06-28

张珊珊（1992-），女，助理工程师，甘肃省武威市人，2014年毕业于内蒙古科技大学应用化学专业，研究方向：岩石矿物分析。

何媛媛（1989-），女，助理工程师，研究方向：岩石矿物分析。

TQ624

A

1004-0935（2020）11-1336-04