銅和錫改性納米TiO2的制備及其光催化降解三氟羧草醚效能.pdf

1、銳鈦礦相的TiO2由于具有光穩(wěn)定性好、無(wú)毒、價(jià)格低廉及氧化能力強(qiáng)等特性而成為首選的光催化劑。但TiO2光催化效率受到光生載流子復(fù)合率高和太陽(yáng)光利用率低這兩個(gè)關(guān)鍵因素限制。在本論文中采用了 Cu、Sn兩種金屬元素對(duì)TiO2進(jìn)行了改性，試圖解決光生載流子的復(fù)合率高和太陽(yáng)光的利用率低這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
　　Cu離子摻雜對(duì)TiO2光催化活性的影響已經(jīng)被廣泛研究，但具有多價(jià)態(tài)的Cu離子在光催化反應(yīng)過(guò)程中所起的作用仍不明確。在本研究中，首先采用

2、溶膠-凝膠法制備了一系列Cu-TiO2光催化劑。利用TG、XRD、DRS、SPS及 XPS等分析技術(shù)對(duì)所制備的樣品進(jìn)行了表征。并以羅丹明B(RhB)為光催化目標(biāo)降解物，研究了Cu-TiO2納米粒子的光催化性能。探討了在納米TiO2的制備和改性過(guò)程中，焙燒溫度、焙燒時(shí)間、不同金屬Cu元素加入量等因素對(duì)光催化活性的影響。通過(guò)DRS、SPS及XPS表征探討了Cu摻雜對(duì)TiO2的改性機(jī)制：在銅摻雜量適宜條件時(shí)，由于Cu-TiO2納米粒子中的氧空

3、位和銅組分能夠捕獲光生電子，抑制了光生載流子的復(fù)合，此外，適量的Cu摻雜使TiO2表面-OH數(shù)量增加，這些因素改善了催化劑的活性；但在銅的摻雜量較高時(shí)，過(guò)量的氧空位及銅組分則成為光生電子-空穴的復(fù)合中心。同時(shí)，過(guò)量的銅組分會(huì)覆蓋 TiO2表面從而阻礙其對(duì)光的吸收，并且，在銅摻雜濃度較大時(shí)TiO2的導(dǎo)電類(lèi)型由N型變成P型，導(dǎo)致TiO2光催化劑中毒，從而降低了催化劑光催化活性。
　　利用氫還原處理可以使光生電子-空穴的有效分離從而改善

4、 TiO2的光催化性能。但氫還原法工藝較復(fù)雜，存在著易燃易爆等不安全因素及制備時(shí)間長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)，因而限制了其實(shí)際應(yīng)用。為了克服上述缺點(diǎn)，本研究采用工藝簡(jiǎn)單的Sn2+化學(xué)還原方法制備了Sn還原納米TiO2光催化劑(Sn-TiO2-X)。利用UV-Vis-DRS，SPS，XPS，EIS等測(cè)試手段探討了Sn對(duì)TiO2的改性機(jī)制：Sn2+還原后的TiO2中生成了Ti3+離子，導(dǎo)致TiO2的費(fèi)米能級(jí)升高，活性氧組分的數(shù)量增多；Sn2+還原增加

5、了TiO2表面氧空位密度，能更有效的捕獲光生電子，抑制了光生電子-空穴的復(fù)合；Sn2+還原TiO2后，在TiO2粒子表面生成SnO2，SnO2的費(fèi)米能級(jí)低于TiO2費(fèi)米能級(jí)，導(dǎo)致光生電子從TiO2導(dǎo)帶向SnO2遷移，起光生電子捕獲阱作用，抑制光生載流子的復(fù)合從而改善其光催化活性；Sn2+還原后引入Ti3+、SnO2等摻雜能級(jí)，這些能級(jí)可以導(dǎo)致催化劑發(fā)生亞帶隙躍遷，即摻雜能級(jí)也參與了光化學(xué)過(guò)程，光催化劑的吸光范圍拓展到了可見(jiàn)光區(qū)。Sn2+

6、化學(xué)還原改性方法兼具氫還原法和Sn4+摻雜改性方法的優(yōu)點(diǎn)，有效的改善了光催化劑的活性。
　　三氟羧草醚是一種廣泛應(yīng)用于大豆及水稻出苗后期選擇性去除闊葉雜草的含氯除草劑。三氟羧草醚足夠長(zhǎng)的半衰期使其能夠被沖進(jìn)地表水(江河和湖泊)，對(duì)環(huán)境造成危害。
　　本研究以Cu、Sn改性TiO2為光催化劑，考查了光強(qiáng)、催化劑用量、pH值、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常使用的一些陰、陽(yáng)離子及降解目標(biāo)物初始濃度等各種因素對(duì)三氟羧草醚光催化降解的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

7、明：由于三氟羧草醚的解離狀態(tài)及TiO2表面電性，相對(duì)于三氟羧草醚原液，調(diào)節(jié)pH值后的三氟羧草醚溶液的降解率均有所下降；陰離子的加入對(duì)以Cu-TiO2為催化劑的反應(yīng)體系影響顯著，但對(duì)以Sn-TiO2-X為催化劑的反應(yīng)體系無(wú)明顯影響；K+、Ca2+的加入對(duì)于光催化降解三氟羧草醚影響不大，但加入Cu2+的影響較為明顯。此外，利用光生電子、空穴捕獲劑，判斷識(shí)別了二種改性機(jī)制不同的催化劑光催化反應(yīng)中的活性組分作用的大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以Cu-Ti