金属掺杂纳米二氧化钛对其光催化去除有机染料性能的影响外文翻译资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

金属掺杂纳米二氧化钛对其光催化去除有机染料性能的影响

M. Khairy , W. Zakaria

摘要

采用溶胶-凝胶法制备了m掺杂的纳米TiO₂(m=Cu，Zn)。采用x射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)和紫外可见光谱(UV-vis)等技术对样品进行了表征。研究了样品的光催化降解甲基橙(MO)活性和化学需氧量(COD)。XRD分析结果表明，纳米TiO₂颗粒中锐钛矿相的形成，晶粒尺寸在9-21nm之间。小晶粒尺寸和掺杂离子(Cu和Zn)抑制了TiO₂锐钛矿相的形成，促进了TiO₂锐钛矿相的生长。光学研究表明，掺杂离子导致纳米二氧化钛的吸收边缘波长增加，带隙能减小。掺杂二氧化钛纳米粒子的光解活性普遍高于纯二氧化钛。实验结果表明，Cu掺杂TiO₂纳米颗粒具有最佳的光催化活性。

关键词

金属掺杂;二氧化钛;纳米粒子;光催化活性;化学需氧量

1引言

传统的污水处理工艺已不再适用于高污染水的净化。最近研究了混凝、电化学氧化、活性污泥、絮凝、反渗透和活性炭吸附等方法，并证明这些方法是适当的。这些方法的主要缺点是产生了更加浓缩的污染物含量阶段。然而，最近的事态发展是实现了氧化降解的有机化合物无论是溶解或分散在水介质中。在这些“高级氧化过程”中，异相光催化作为一种新兴的破坏性技术出现，导致大多数有机物的完全矿化。光催化方法是建立在半导体粒子在能量大于半导体带隙的光照射下产生的电子-空穴对的反应性质上，这些电子和空穴可以重组或到达粒子表面，与溶液中具有适当氧化还原电位的物质反应。在各种半导体材料中，TiO₂具有许多优点，被认为是最有前途的催化剂，具有很多优势，包括长期稳定，廉价和无毒用于消除水中的环境污染物。然而，二氧化钛的成功应用仍然受到电荷载体的宽能带和快速复合速率的制约。因此，近年来的研究主要集中在通过掺杂不同的金属离子氧化物和表面修饰Fe³ 等金属离子来提高TiO₂催化剂的催化活性。这些离子要么被纳入晶格或插层，要么以团簇或单核配合物的形式高度分散在TiO₂表面。目的是通过引入电子(e^-)和/或空穴(H )的陷阱来减小能带隙或建立禁闭带隙内的能级，减少复合过程。

此外，使用二氧化钛作为光催化剂的一个主要缺点是，它的带隙位于电磁波谱的近紫外区: 锐钛矿相为3.2eV。因此，只有紫外光才能产生电子-空穴对，从而启动光催化过程。然而，紫外线只占太阳光谱的一小部分(约3-5%)。因此，科学家们正在进行大量的研究，将二氧化钛的光学响应转移到可见光范围内。为了解决这一问题，人们开展了大量的研究工作，通过过渡金属氧化物如Fe、Zn、Cu、Ni和v来提高TiO₂的光催化活性。掺杂这些金属本质上减小了TiO₂的光激发带隙(红移)，同时降低了光生电子-空穴对的复合率。目前，一个主要的挑战是处理低成本，稳定的掺杂纳米材料，并且具有良好的控制性能，可以有效地吸收可见光。需氧量是水资源中有机污染物浓度评价的重要参数。由于有机化合物的降解需要氧气，它们的浓度可以根据所需的氧气量来确定。化学需氧量(COD)是评价水系统中有机污染的主要指标。它的定义是使用重铬酸盐等强氧化剂氧化有机化合物所消耗的氧当量数。传统的COD评价方法(重铬酸盐法)存在着分析时间长(2-4h)、水和电量大、操作过程复杂、耗费昂贵(Ag₂SO₄)、腐蚀性(浓缩H₂SO₄)和有毒(HgSO₄)试剂等可能存在的误差。近年来，人们投入了大量的精力来开发快速、灵敏、高环境友善的COD测定方法。光催化技术被认为是最新的技术之一。它提供了一种高度活性的非特异性氧化剂，即羟基自由基(OH^-)，它能够非选择性地快速破坏水和废水中的大量有机污染物。这些过程可以完全降解有机污染物为无害的无机物质，如二氧化碳和水在适当的条件下。

研究了所合成的光催化剂的物理化学性质以及掺杂离子对光催化反应的影响。这项工作将有助于推动正在进行的努力，开发改性半导体光催化剂，以便在可见光下高效运作。

2实验

在这项工作中，掺杂氧化钛纳米粒子被合成大小和测试其在紫外线和可见光下的先进水处理应用的潜在用途。合成了铜和锌掺杂的纳米TiO₂粒子，并用紫外-可见光谱对其进行了表征吸收XRD，FT-IR和SEM技术。研究了合成的纳米粒子在可见光下对甲基橙的光催化降解性能。MO是最重要的商用染料之一，具有很短的激发态寿命，对可见光和近紫外光很稳定，因此被选为染色污染物模型物。此外，还考察了锰(VII)作为电子清除剂加入到合成粒子中测定废水COD的可能性。该方法是基于直接测定光催化氧化有机化合物过程中锰(VII)浓度的变化。

2.1材料

所使用的化学试剂均为分析级，无需进一步提纯即可使用。使用的材料是:硝酸锌Zn(NO₃)₂·6H₂O(99%)，硝酸铜Cu(NO₃)₂·3H₂O，甲基橙MO和乙醇(99%);所有这些都是由Adwic提供的。此外，四氧化二钛(Ti(OC₄H₉)₄)(97%)，提供了西格玛和双重分裂水在所有的实验中使用。

2.2纯的和掺杂的二氧化钛纳米颗粒的制备

采用溶胶-凝胶法制备了纯的二氧化钛纳米粒子。在大力搅拌下，将7.6ml四氧化钛缓慢加入8ml乙醇中，直至凝胶形成。在100液相中干燥，最后在400液相中煅烧3.5h，同时加入适量的金属硝酸盐(Zn和Cu)，得到2wt%的金属掺杂TiO₂纳米粒子。

合成的样品分别为纯TiO₂、Cu掺杂TiO₂和Zn掺杂TiO₂样品的Ti_pure、Ti_2Cu和Ti_2Zn。

2.3角色塑造方法

采用Co过滤法，在 Diano (Diano Corporation，USA)上进行了粉末x射线衍射(XRD)分析

Ka辐射(k=1.79a)，在45千伏和10毫安时被激励。样品在2h=20-80L的室温下测定。

采用扫描电子显微镜(SEM)、JEOL JEM-100CXII研究了导电碳涂料对样品的形貌和尺寸的影响。

用4000-400cm^-1范围内的KBr颗粒在红外光谱仪上记录了样品的红外光谱，红外光谱为Bruker矢量22光谱仪。

光学测量是在300至500nm波长范围内使用岛津2101-PC光谱仪进行的。

2.4光催化活性测量

采用浴式光催化反应器系统进行光催化反应。一个装有反应混合物的石英管被放置在反应器的中心，混合物用磁力搅拌器保持均匀。用450w水银蒸气灯(Hanovia)照射的紫外线辐射器(365nm)和用500w 钠灯照射的可见光辐射器分别在石英管的中心照射紫外线和可见光源。反应堆装有水套以保持恒温。

实验是在光反应器中进行的，用乙醇在适当浓度下制备了50毫升甲基橙溶液。加入光催化剂后，染料溶液在黑暗中搅拌20分钟，使染料溶液达到在该物质表面的吸附平衡。然后对悬浮液进行辐照。在3000rpm的吸光度测定前，用离心法将溶液在不同时间段从多相溶液中分离出光催化剂，以完全去除催化剂颗粒。通过紫外-可见光谱仪监测MO染料的分解情况。

2.5化学需氧量测试

将纳米粒子与5104mol/l KMnO4的反应混合物加入到光反应器中。反应总体积保持在40ml，pH值为5.5，COD为5mg/l，温度为50lc。当紫外灯开启(k_max=253.7nm)时，有机化合物的光催化氧化开始，导致Mn(VII)浓度降低。在525nm 处用分光光度法测定了锰(VII)的含量。所有的测量重复三次。在COD校正前，将不同体积的葡萄糖逐级加入反应器中，测定相应的锰含量。在此基础上，得到了锰(VII)与COD吸光度的COD校正图。

葡萄糖降解率[降解效率]的计算依据:

降解效率其中C_t是时t后的浓度，C₀是初始浓度。

3.结果和讨论

3.1样本/角色塑造

纯TiO₂和掺杂TiO₂样品的XRD图谱如图1所示。所有样品均呈锐钛矿结构(四方D4hI41/amd)，无氧化锌或氧化铜的存在，说明两种离子都参与了锐钛矿结构的形成。掺杂样品中锐钛矿相的形成可以用以下假设来解释: Zn² 和Cu² 离子间隙地掺入到TiO₂结构中，促进氧空位的减少，与其他文献的结果相似。

利用Scherrer方程，通过谱线展宽估算了样品的微晶尺寸(DXRD)

图1: (a) Ti_pure，(b)Ti_2Cu，(c) Ti_2Zn的XRD图谱。

基于(101)峰:DXRD =0.9k/b cosh，其中k是Coka辐射的x射线波长(k=1.79a)，h是布拉格角，b是最大强度的一半时衍射线的全宽度。利用大粒径硅标准物质和b2=b2mb2s关系对x射线衍射仪的谱线展宽结果进行了校正，其中bM和bS 分别为样品和标准物质谱线的半峰宽度。制备的纳米粒子尺寸介于9-21nm之间

如表1所示，Ti_pure为最大，Ti_2Cu为最小。这是指掺杂离子Cu² 或Zn² 延缓了TiO₂纳米颗粒的晶粒生长。当合成Fe² 和Zn² 掺杂TiO₂时，也观察到类似的材料结晶性能下降的结果。

3.1.1SEM

图2描述了纯纳米晶和掺杂二氧化钛样品的SEM形貌。从图2(a)可以看出，制备的纯TiO₂光催化剂的形状看起来像球形结构。掺杂Cu或Zn后，掺杂TiO₂光催化剂的形貌与纯TiO₂明显不同，如图2(b)和(c)所示。它们的形态类似于聚集的平板。

表1所研究样品的XRD和FTIR数据。

<tr

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</tr

资料编号：[260059]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

您可能感兴趣的文章

• 由可聚合阳离子表面活性剂和4-苯偶氮苯甲酸组成 的光流变可逆胶束外文翻译资料
• 酶处理对棉织物的物理化学性质和染色特性的影响外文翻译资料
• 商陆浆果天然染料对羊毛织物的染色研究外文翻译资料
• 在掺杂银的Zn0/gC3N4复合催化剂的协同作用下高效催化降解室 内甲醛外文翻译资料
• 中国典型工业园区印染废水中超细纤维的产生、去除和释放外文翻译资料
• 枝状分子合成方法在碳炭黑表面接枝化聚氨基胺外文翻译资料
• 复杂的纳米级胶态分散体通过原位形成稳定的水包油采摘乳剂来提高采收率外文翻译资料
• 树枝状大分子合成方法将超支化聚(氨 基胺)接枝到炭黑表面.上外文翻译资料
• 利用纳米镍颗粒辅助聚合物驱提高原油采收率的有效途径外文翻译资料
• 棉织物的防水性能溶胶-凝胶法整理外文翻译资料