Ag和Ce改性TiO2-SiO2復合催化劑的制備及光降解反應動力學研究.pdf

1、半導體 TiO2由于其原料來源廣泛、物理化學性質穩(wěn)定、無毒無害、生物親和性好以及具有相對較高的光催化活性等優(yōu)點，被廣泛的應用到催化、傳感、電磁學、表面涂層和醫(yī)療衛(wèi)生等領域。但是作為光催化劑時，因其禁帶寬度較大(Eg=3.0~3.2 eV),在自然條件下，只能利用太陽能中含量不足5％能量較高的紫外光，而且生成的電子-空穴對復合率較高，導致光催化降解效率嚴重下降。在使用過程中，影響催化劑光催化效率的主要因素有催化劑對光的波長響應范圍、光生電

2、子-空穴對的壽命以及比表面積的大小。為擴展催化劑對光的吸收范圍，抑制光生電子-空穴對的復合，同時增大比表面積，本論文采用一些改性方法如：與半導體復合和摻雜改性。同時研究了不同的改性方法對催化性能的影響，具體研究內容包括以下幾個方面：
　　(1)采用溶膠-凝膠法制備了具有可見光催化活性的Ag-TiO2-SiO2三元體光降解催化劑。通過X射線衍射(XRD)、拉曼光譜(Raman)、場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、透射電鏡(TEM)、X

3、射線光電子能譜(XPS)、比表面積(BET)、紅外(IR)和紫外-可見漫反射光譜(UV-vis)對樣品進行表征。由 XRD分析可得改性后，所有樣品經過700℃煅燒后保持單一的銳鈦礦相，由掃描電鏡圖片可得，與TiO2相比，改性后樣品的晶粒尺寸明顯減小，這是因為SiO2能夠抑制粒子之間的團聚。從UV-vis圖譜可得經過納米Ag粒子修飾后，樣品對光的吸收延伸到可見光范圍。由XPS和IR的分析，證明了樣品中形成了Ti-O-Si鍵。利用樣品在紫外

4、光和可見光下對羅丹明B(Rh B)溶液的降解率評價了催化劑的光催化效率，結果表明Ag修飾后的樣品，在可見光下的光催化性能顯著提高。這是因為在Ag-TiO2界面處形成了肖特基勢壘，能夠捕獲光生電子，從而能夠有效的達到抑制光生電子-空穴對復合的效果。
　　(2)以鈦酸四丁酯、正硅酸乙酯和硝酸鈰為前驅體，采用溶膠-凝膠法制備了負載型x wt%Ce-TiO2-SiO2(x=0、0.1、0.3、0.5、0.8、1)光降解催化劑。X射線衍射(

5、XRD)測試數據表明，Ce的摻雜和載體SiO2地引入能夠有效的抑制 TiO2的晶相由銳鈦礦相向金紅石相的轉變，同時增加了樣品的熱穩(wěn)定性。X射線光電子能譜(XPS)和傅里葉紅外光譜(FT-IR)分析表明，樣品 Ce-TiO2-SiO2中存在Si-O-Ti和Si-O-Si鍵，說明載體SiO2和TiO2有強烈的鍵合作用。掃描電鏡(SEM)形貌分析表明，和純TiO2相比，樣品Ce-TiO2/SiO2的顆粒尺寸明顯減小，顆粒分布更加均勻。BET分

6、析數據表明，改性樣品TiO2-SiO2和0.3 wt%Ce-TiO2-SiO2的比表面積由原來純TiO2的17.55 m2/g分別增加到174.98 m2/g和194.98 m2/g，孔徑和孔體積均明顯增大。根據樣品對羅丹明B（Rh B）的降解率，研究了不同Ce的摻雜量的Ce-TiO2-SiO2光降解催化劑在紫外光和可見光下的催化降解效率。結果表明光降解反應符合一級動力學方程。當m(TiO2):m(SiO2)=10:1，Ce摻雜量為0.

7、3 wt%時，催化劑的光催化性能達到最佳，經過30 min紫外光和180 min可見光的照射，對羅丹明B（Rh B）的降解率分別達到99%和74%。
　　(3)通過摻雜稀土元素Ce和貴金屬納米Ag粒子制備了在可見光下催化活性較高的四元體Ce-Ag-TiO2-SiO2光降解催化劑。對樣品進行了X射線衍射(XRD)、拉曼光譜(Raman)、場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、N2吸附-脫附曲

8、線(N2-BET)、紅外(IR)和紫外-可見漫反射光譜(UV-vis)表征。SEM、XRD、Raman、BET和UV-vis分析結果表明，改性后樣品顆粒尺寸減小、晶相轉化被抑制、比表面積增大和吸收光譜從紫外光拓展到可見光。光降解實驗表明，樣品Ce-Ag-TiO2-SiO2在紫外光和可見光下對Rh B溶液的降解都表現出較高的活性。這主要是因為Ag具有表面等離子共振效應，Ce具有特殊4f軌道和多電子結構以及SiO2具有較大的比表面積能夠增強