钐掺杂二氧化钛粉体的制备及其光催化降解性能研究

　文章编号:100025811(2009)0520033203

钐掺杂二氧化钛粉体的制备及其光催化

降解性能研究

卢　靖,黄剑锋,吴建鹏,曹丽云

(陕西科技大学材料科学与工程学院,陕西西安　710021)

摘　要:采用微波水热法,以钛酸丁酯和氯化钐为原料,在冰醋酸催化作用下,制备出钐掺杂二

氧化钛粉体.用XRD对所制备的粉体进行了表征,并以甲基橙染料为目标降解物,考察了钐

掺杂量对粉体光催化降解性能的影响.结果表明,微波水热法最佳制备工艺是:1%wt钐掺杂,

170℃下微波水热30min后于80℃干燥24h.钐掺杂二氧化钛的光催化降解能力显著高于

纯TiO2,且随掺杂量的增加而增长,当钐掺杂量达1%时,光催化降解能力趋于稳定.

关键词:Sm3+掺杂;TiO2粉体;光催化降解;微波水热法

中图分类号:X131.2　　　　　　文献标识码:A

0　引言

钠米TiO2因其比表面积大、光催化性能好、抗紫外线能力和热导性较强而被广泛应用于涂料、传感器、功能陶瓷、防晒化妆品以及化纤等领域[1].近年来随着全球环境污染的日益严重,利用半导体光催化降解有机污染物也引起了人们的广泛关注,其中研究最多的是钠米TiO2光催化技术[2].为了提高钠米TiO2光催化效率,国内外研究者采用了多种方法对其进行改性.根据对钠米TiO2光催化机理和催化剂晶体结构等的理论研究发现:多种过渡金属掺杂可在钠米TiO2晶格中引入缺陷位置或改变结晶度,从而减少光生电子与空穴的复合,提高催化降解效率[3].本研究以钛酸丁酯、氯化钐、无水乙醇、冰醋酸等为原料,采用微波水热法制备出一种新型稀土掺杂的TiO2粉体,通过改变实验条件确定了粉体的最佳制备工

表1　微波水热仪的控温方案1步骤温度/℃时间/min功率/W

14031

26021

38021

4100351

表2　微波水热仪的控温方案2步骤温度/℃时间/min功率/W

14031

26021

38021

410021

5130352表3　微波水热仪的控温方案3步骤温度/℃时间/min功率/W

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310021

413022

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表4　微波水热仪的控温方案4步骤温度/℃时间/min功率/W

14031

28021

312022

415022

5170352

艺,并分析了稀土掺杂与光催化性

能的关系.

1　实验

1.1　Sm3+掺杂TiO2粉体的制备

将钛酸丁酯与无水乙醇按一定

比例混合得到溶液A;另将一定量

的氯化钐溶于乙醇水溶液中,逐滴

加入冰醋酸得到溶液B.将溶液A

与B混合均匀置于反应釜的聚四

氟乙烯内衬中,并将其装入MDS26

型微波水热反应仪中,分别调节微

波水热仪参数如表1至表4所示.

3收稿日期:2009-07-10

作者简介:卢　靖(1981-),女,河南省清丰县人,在读博士生,研究方向:材料物理与化学

陕西科技大学学报第27卷反应结束得到溶液与粉体的混合物,将所得混合物放入80℃烘箱中24h ,研磨即得到产物.

1.2　粉体的结构及性能表征

用X 射线衍射仪(Cu K α射线)测试钐掺杂二氧化钛粉体的晶相.

通过甲基橙溶液的降解程度即脱色率来衡量钐掺杂二氧化钛的催化活性,并与相同浓度二氧化钛的催化降解能力作对比实验.配置浓度为20mg/L 的甲基橙溶液,将不同钐掺杂量的二氧化钛粉体加入溶液,在可见光下照射不同时间,混合物离心分离,取上层清液置于752紫外可见光分光光度计中,在甲基橙的最大吸收波长(λ=4.8nm )测定试样的吸光度,通过下列公式计算脱色率与吸光度的关系[4].

η=A 0-A t A 0

×100%　　式中η为脱色率,A 0为光照前的吸光度,A t 为光照t 时间时的吸光度.

2　结果分析与讨论

2.1　微波水热温度对粉备的影响

微波水热温度控制如表1至表4所示为逐级升温加热过程,各温度阶段作用不同,温度最高、时间最长的一步比较关键,粉体的晶化主要在这一温度阶段形成.本实验重点考察晶化温度对产物的影响,保持晶化时间为35min ,钐掺杂量为1%,改变温度,分别在100℃、130℃、150℃、170℃条件下进行晶化处理.用XRD 对所制备的粉体进行表征,结果如图1所示.微波水热温度在100℃和130℃时产物是一种凝胶状物质,并未出现晶相.当反应温度为150℃时锐钛矿型TiO 2晶体已形成,且出现了1个Sm 4Ti 3O 12比较明显的衍射峰,说明此时钐掺杂二氧化钛粉体已开始出现.继续升温至170℃二氧化钛衍射峰更加尖

锐,同时在TiO 2(101)晶面旁出现2θ=27.5°钐的特征衍射峰,这说明当水热温度达到170℃时,钐掺杂二

氧化钛的反应充分,晶粒发育较完整.同时可观察到1%

的钐掺杂已进入TiO 2晶格中形成Sm 4Ti 3O 12,但掺杂并未改变TiO 2的晶型.

图1　不同微波水热温度制备Sm 3+　　　　图2　不同Sm 3+掺杂浓度制备Sm 3+

掺杂TiO 2粉体的XRD 图掺杂TiO 2粉体的XRD 图

2.2　钐掺杂量对粉备的影响

实验确定了钐掺杂量分别为0.25%、0.5%、1%和1.5%时产物的物相组成,如图2所示.当钐掺杂量为0.25%和0.5%时产物图谱中未发现钐的特征峰,分析原因主要是钐的掺杂量太小,且在粉体的制备、洗涤和处理环节不可避免的会造成一定的损失,这使得钐含量无法达到X 射线衍射仪的检测限.当掺杂

量大于等于1%时,在2θ等于27.5°和37.94°处分别出现了Sm 4Ti 3O 12明显的衍射峰.37.94°处的衍射峰

与TiO 2的37.8°的峰位置很接近,但仔细观察会发现两者的峰形有所不同,说明制备钐掺杂的二氧化钛粉体时稀土元素掺杂量大于等于1%时较合适.

2.3　钐掺杂量对催化降解性的影响

图3是不同浓度Sm 3+掺杂TiO 2光降解时间对甲基橙脱色率的影响图,从图3可看出光照时间达到

・43・

第5期卢　靖等:

钐掺杂二氧化钛粉体的制备及其光催化降解性能研究　图3　不同浓度Sm 3+掺杂TiO 2光降解时间与甲基橙脱色率关系曲线30min 后甲基橙脱色率开始趋于平稳.随着钐掺杂量的增加,粉

体催化染料降解的脱色率增加,且掺杂后的粉体均显著大于单纯

TiO 2的脱色率.这是因为纯的TiO 2仅能在紫外光照射下催化有

机物降解,而紫外光仅占太阳光的5%左右,这大大了TiO 2

作为光催化剂的使用范围和效能[5];当稀土元素掺杂入TiO 2后,

会使晶体的禁带变窄,拓展了吸收光谱范围,这使得TiO 2复合粒

子光催化降解能力提升[6].由此可见,钐掺杂可以提高自然光下

二氧化钛的催化能力.

当钐掺量达到1.0%后,随掺量的增加脱色率增长缓慢,光照30min 后掺杂量为1%和1.5%的复合粒子脱色率基本相当,由此推测继续增加Sm 3+的掺杂量不再会明显提升光催化降解能

力,结合粉备条件的讨论得出最佳Sm 3+掺杂量为1%.

3　结论

以钛酸丁酯、氯化钐为原料,冰醋酸为催化剂,微波水热条件可制备出钐掺杂二氧化钛粉体,优化后的工艺参数是:1%wt 钐掺杂,170℃下微波水热35min ,离心分离后80℃干燥24h.

以甲基橙为目标降解物,实验所制备粉体为钐掺杂,可使二氧化钛吸收光谱变宽,具有比单纯二氧化钛更优越的光催化降解性能.随着Sm 3+掺杂量的增加,其光催化性能逐渐增大,当掺杂量达到1%时,光催化降解能力开始趋于稳定.

参考文献

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[6]苏碧桃,张　彰,郑　坚.Fe 3+掺杂的TiO 2纳米复合粒子的合成及表征[J ].化学学报,2002,60(11):193621940.

PREPARATION OF CO 3+DOPED TiO 2AN D ITS

PH OTOCATALYTIC PROPERTIES

L U Jing ,HUAN G Jian 2feng ,WU Jian 2peng ,CAO Li 2yun

(School of Materials Science and Engineering ,Shaanxi University of Science &Technology ,Xi ′an 　710021,China )

Abstract :Sm 3+doped TiO 2nanopowders were prepared fro m tet ra 2n 2butyl titanate and sa 2marium compo unds at 170℃for 35min by microwave hydrot hermal processing.The pow 2ders were characterized by XRD after cent rif ugation and drying at 80℃.The degradation of met hyl orange dye was investigated for Sm 3+2doped titanium dioxide p hotocatalytic effect.The result s show t hat wit h t he increase of Sm 3+doped co ncent ration in TiO 2,t he p hotocata 2lytic degradation of TiO 2nanopowder increased.However ,when t he Sm 3+2doped 1%of ca 2pacity ,t he co mplex ability of p hotocatalytic degradation became almost unchanged.K ey w ords :doped Sm 3+;TiO 2nanopowder ;p hotocatalytic ;microwave hydrot hermal ・53・