低温溶液法制备TiO 2 /γ-AlO（OH）纳米复合粉体及其光催化性能
发布时间：2021-07-08 16:30
以硝酸铝为铝源,钛酸四丁酯为钛源,柠檬酸三铵为起泡剂,聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作表面活性剂,采用低温溶液法制备TiO2/γ-AlO（OH）复合纳米粉体光催化剂;采用HRTEM、FESEM、EDS、XRD、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和N2吸附-脱附（BET）等手段对复合材料进行表征;研究了γ-AlO（OH）掺杂量、PVP表面活性剂等对TiO2/γ-AlO（OH）复合纳米粉体的形貌及光催化活性的影响规律;探究了吸附作用对催化剂活性的影响。结果表明:载体材料γ-AlO（OH）纳米微球的介孔结构限制了TiO2纳米晶的团聚和长大,适当添加PVP表面活性剂可以减少复合粉体团聚,并调控其微观形貌;当γ-AlO（OH）掺杂质量分数为10%、PVP添加量为0.1 mmol时,制备的TiO2/γ-AlO（OH）复合粉体的BET比表面积为334.27 m2/g,催化性能最佳,光照30 min,对罗丹明B的降解效率为94.26%,远大于纯锐钛矿结构TiO
【文章来源】：石油学报(石油加工). 2020,36(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
TiO2、纯P25、γ-AlO(OH)和掺杂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的TiO2/γ-AlO(OH)复合纳米粉体的XRD谱图
图4为P25和TiO2/γ-AlO(OH)复合粉体的UV-Vis DRS谱图。根据αhv=F(hv-Eg)n/2(其中α为吸收系数,F是比例常数,hv是光子能量,Eg为禁带宽度,直接半导体n取1,间接半导体n取4)可计算出复合材料的禁带宽度,商用P25的禁带宽度约为3.2 eV(385 nm)[22-23]。由图4可得,制备的TiO2/10%γ-AlO(OH)(0.1 mmol PVP)样品的禁带宽度为3.45 eV(359 nm)。这是因为TiO2/γ-AlO(OH)复合粉末的颗粒尺寸接近激子波尔半径,产生了量子尺寸效应。纳米尺寸半导体的电子带性能主要取决于颗粒的尺寸。随着复合粒子尺寸的减小,带隙能增加,表现为吸收波长的蓝移[24-25]。复合材料的禁带宽度增加,使其对太阳光辐射的吸收范围增大,更有利于电子跃迁的产生,同时更宽的禁带宽度可以有效地减少光生电子-空穴的复合,从而提高光催化剂的量子效率。图4 P25和TiO2/γ-AlO(OH)复合粉体的UV-Vis DRS谱图(内附图为禁带宽度切线图)
图2为TiO2、纯P25、γ-AlO(OH)和掺杂PVP的TiO2/γ-AlO(OH)复合纳米粉体的XRD谱图。由图2可知,实验制备的γ-AlO(OH)晶型为勃姆体,与图1(h)中晶格条纹宽度对应。相比于P25(锐钛矿,金红石结构混合晶相)催化剂,经过PVP表面活化的TiO2/γ-AlO(OH)系列催化剂均具有较为明显的锐钛矿结构,同时半峰宽相对较大,说明复合粉体的颗粒更加细小;同时除了比较明显的TiO2衍射峰外,没有其他较为明显的峰,说明样品的纯度较高[18]。其中γ-AlO(OH)掺杂质量分数为10%的复合粉体的谱峰尖端较为平缓,半高宽较大,说明此时复合粉体中锐钛矿型的TiO2颗粒细小。这是因为此掺杂量下的γ-AlO(OH)在制备过程中提供介孔,吸附较多的Ti(OH)4胶体在空腔中,水热反应时空腔的应力限制了TiO2颗粒的长大[19];当γ-AlO(OH)掺杂质量分数小于10%时,γ-AlO(OH)无法提供足够的空腔,掺杂质量分数大于20%时,γ-AlO(OH)的表面电荷又会吸附过多的TiO2颗粒,导致复合粉体发生硬团聚。众所周知,TiO2具有锐钛矿、板钛矿、金红石3种晶型,其中锐钛矿结构TiO2具有最佳的催化活性,然而纯锐钛矿结构的TiO2催化性能并不理想[20]。P25催化剂利用2种不同晶相的结构混杂可以增大晶格内部缺陷,增加载流子浓度,使电子、空穴数量增大,具有更强的捕获颗粒外表面溶剂的能力[21]。因此,采用纯锐钛矿晶型的TiO2,同时利用γ-AlO(OH)的多孔结构作为载体形成复合粉体,可使TiO2的催化性能增加成为可能。图2 TiO2、纯P25、γ-AlO(OH)和掺杂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的TiO2/γ-AlO(OH)复合纳米粉体的XRD谱图
【参考文献】：
期刊论文
[1]两步水热法制备还原氧化石墨烯/纳米TiO2复合材料及其光催化性能[J]. 言文远,周琪,陈星,杨勇,吴玉程. 复合材料学报. 2016(01)
[2]水热法制备新型TiO2薄膜及其机理[J]. 张乘凯,庄稼,秦海洋,董林,蒋争涛,邹剑. 金属热处理. 2014(11)
[3]多级孔TiO2/γ-Al2O3复合载体的制备及表征[J]. 韩易潼,杨鹏冲,孟秀红,鄢景森,王海彦. 石油学报(石油加工). 2013(05)
[4]纳米TiO2-Al2O3复合氧化物载体制备研究进展[J]. 史鹏,庞静,吴海东,盛先成,张莹莹. 广州化工. 2011(18)
[5]超声波辅助共沉淀法制备大比表面积TiO2-Al2O3复合载体[J]. 彭会左,杨运泉,王威燕,何兵,钦柏豪. 石油化工. 2011(07)
[6]纳米结构TiO2/γ-Al2O3复合粒子的制备及其光催化降解苯酚的研究[J]. 徐彬,李娜,朱礼,张伟德. 中国科技论文在线. 2010(12)
[7]氧化铝、氢氧化铝的XRD鉴定[J]. 李波,邵玲玲. 无机盐工业. 2008(02)
[8]纳米γ-Al2O3/TiO2复合载体的制备及表征[J]. 李哲,权燕红,常瑜,许丽,黄伟,谢克昌. 分子催化. 2007(05)
[9]纳米TiO2复合载体催化剂的制备及表征[J]. 赵荣明,詹拥共,蔡炳新. 应用化工. 2004(02)
[10]超细纳米TiO2/Al2O3复合体的制备及其组成分布的研究[J]. 张长拴,李志勋,张乐,杨吉湍,白玉白,李铁津. 化学研究与应用. 2000(04)
本文编号：3271928
【文章来源】：石油学报(石油加工). 2020,36(05)北大核心EICSCD
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【部分图文】：
TiO2、纯P25、γ-AlO(OH)和掺杂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的TiO2/γ-AlO(OH)复合纳米粉体的XRD谱图
图4为P25和TiO2/γ-AlO(OH)复合粉体的UV-Vis DRS谱图。根据αhv=F(hv-Eg)n/2(其中α为吸收系数,F是比例常数,hv是光子能量,Eg为禁带宽度,直接半导体n取1,间接半导体n取4)可计算出复合材料的禁带宽度,商用P25的禁带宽度约为3.2 eV(385 nm)[22-23]。由图4可得,制备的TiO2/10%γ-AlO(OH)(0.1 mmol PVP)样品的禁带宽度为3.45 eV(359 nm)。这是因为TiO2/γ-AlO(OH)复合粉末的颗粒尺寸接近激子波尔半径,产生了量子尺寸效应。纳米尺寸半导体的电子带性能主要取决于颗粒的尺寸。随着复合粒子尺寸的减小,带隙能增加,表现为吸收波长的蓝移[24-25]。复合材料的禁带宽度增加,使其对太阳光辐射的吸收范围增大,更有利于电子跃迁的产生,同时更宽的禁带宽度可以有效地减少光生电子-空穴的复合,从而提高光催化剂的量子效率。图4 P25和TiO2/γ-AlO(OH)复合粉体的UV-Vis DRS谱图(内附图为禁带宽度切线图)
图2为TiO2、纯P25、γ-AlO(OH)和掺杂PVP的TiO2/γ-AlO(OH)复合纳米粉体的XRD谱图。由图2可知,实验制备的γ-AlO(OH)晶型为勃姆体,与图1(h)中晶格条纹宽度对应。相比于P25(锐钛矿,金红石结构混合晶相)催化剂,经过PVP表面活化的TiO2/γ-AlO(OH)系列催化剂均具有较为明显的锐钛矿结构,同时半峰宽相对较大,说明复合粉体的颗粒更加细小;同时除了比较明显的TiO2衍射峰外,没有其他较为明显的峰,说明样品的纯度较高[18]。其中γ-AlO(OH)掺杂质量分数为10%的复合粉体的谱峰尖端较为平缓,半高宽较大,说明此时复合粉体中锐钛矿型的TiO2颗粒细小。这是因为此掺杂量下的γ-AlO(OH)在制备过程中提供介孔,吸附较多的Ti(OH)4胶体在空腔中,水热反应时空腔的应力限制了TiO2颗粒的长大[19];当γ-AlO(OH)掺杂质量分数小于10%时,γ-AlO(OH)无法提供足够的空腔,掺杂质量分数大于20%时,γ-AlO(OH)的表面电荷又会吸附过多的TiO2颗粒,导致复合粉体发生硬团聚。众所周知,TiO2具有锐钛矿、板钛矿、金红石3种晶型,其中锐钛矿结构TiO2具有最佳的催化活性,然而纯锐钛矿结构的TiO2催化性能并不理想[20]。P25催化剂利用2种不同晶相的结构混杂可以增大晶格内部缺陷,增加载流子浓度,使电子、空穴数量增大,具有更强的捕获颗粒外表面溶剂的能力[21]。因此,采用纯锐钛矿晶型的TiO2,同时利用γ-AlO(OH)的多孔结构作为载体形成复合粉体,可使TiO2的催化性能增加成为可能。图2 TiO2、纯P25、γ-AlO(OH)和掺杂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的TiO2/γ-AlO(OH)复合纳米粉体的XRD谱图
【参考文献】：
期刊论文
[1]两步水热法制备还原氧化石墨烯/纳米TiO2复合材料及其光催化性能[J]. 言文远,周琪,陈星,杨勇,吴玉程. 复合材料学报. 2016(01)
[2]水热法制备新型TiO2薄膜及其机理[J]. 张乘凯,庄稼,秦海洋,董林,蒋争涛,邹剑. 金属热处理. 2014(11)
[3]多级孔TiO2/γ-Al2O3复合载体的制备及表征[J]. 韩易潼,杨鹏冲,孟秀红,鄢景森,王海彦. 石油学报(石油加工). 2013(05)
[4]纳米TiO2-Al2O3复合氧化物载体制备研究进展[J]. 史鹏,庞静,吴海东,盛先成,张莹莹. 广州化工. 2011(18)
[5]超声波辅助共沉淀法制备大比表面积TiO2-Al2O3复合载体[J]. 彭会左,杨运泉,王威燕,何兵,钦柏豪. 石油化工. 2011(07)
[6]纳米结构TiO2/γ-Al2O3复合粒子的制备及其光催化降解苯酚的研究[J]. 徐彬,李娜,朱礼,张伟德. 中国科技论文在线. 2010(12)
[7]氧化铝、氢氧化铝的XRD鉴定[J]. 李波,邵玲玲. 无机盐工业. 2008(02)
[8]纳米γ-Al2O3/TiO2复合载体的制备及表征[J]. 李哲,权燕红,常瑜,许丽,黄伟,谢克昌. 分子催化. 2007(05)
[9]纳米TiO2复合载体催化剂的制备及表征[J]. 赵荣明,詹拥共,蔡炳新. 应用化工. 2004(02)
[10]超细纳米TiO2/Al2O3复合体的制备及其组成分布的研究[J]. 张长拴,李志勋,张乐,杨吉湍,白玉白,李铁津. 化学研究与应用. 2000(04)
本文编号：3271928
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