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TiO2—SiO2复合半导体气凝胶制备及光催化活性研究

2020-10-29 来源:好走旅游网
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第6卷第1期 2000年3月 功能材料与器件学报 JOURNAL OF FUNC ̄ONAL MATERIALS AND DEVICES Vo1.6.No.I March.2000 文章编号:1007—4252(2000)01—0007—06 7一j2 TiO 一SiO:复合半导体气凝胶制备及光催化活性研究 邓忠生1, 张哲 , 翁志农 , 张玉龙。7,王珏 , 周斌-, 沈军1, 陈玲燕 (1.同济大学玻耳固体物理研究所,上海200092) (2.同济大学化学系, 上海200092) 半导体气凝胶的光催化氧化活性,井与普通锐钛矿型钛白粉光催化剂进行了对比。 结果表明:所{}4备的TiO2一Si(h复合半导体气凝胶具有大比表面积(523.8m2g ),纳 米多孔结构(骨架颗粒约为30—50纳米,孔洞尺寸为几十纳米);其光催化氧化活性 删 1l关键词:光催化;中图分类号 ;堡堕:竖堕;.塑 堕墨王 。l 1c: ^Vf3D4{O4 I : 文献标识码:A 1 f TN30 4 等I ‘ 弓I言 自1972年Fu ishirma和Hondat 发现 n 单晶电极光分解水以来,多相光催化反应引起 人们的浓厚兴趣,科学家们对此进行了大量的研究,探索该过程的原理,致力于提高光催化 效率…。目前,多相光催化反应所使用的半导体催化剂中,'rioz以其无毒、催化活性高、氧化 能力强、稳定性好最为常用。由于Ti(h的光催化活性与 n 的尺寸、晶型以及表面积有关, 而用溶胶一凝胶超临界干燥法制备的TiOz气凝胶 具有纳米结构、比表面积大(100— 600m ̄/g)、孔洞率高等特点,因此具有较高的催化活性。但由于纯TiOz气凝胶的网络结构较 差,不利于催化剂的实际应用。如将TiOz负载于适当的载体,可获得较大的表面积和合适的 孔结构,并具有一定的机械强度,便于在各种反应床上应用” 可能产生协同作用,从而提高半导体催化剂的催化活性。 此外,载体与活性组分间也 本文以正硅酸乙酯(TEOS)、钛酸丁酯为原料,以乙醇为溶剂,用溶胶—凝胶法经超临界 干燥制备出了TiOz—SiOz复合半导体气凝胶。研究了TiOz与 不同配比对溶胶一凝胶过 程的影响;用BET、XRD、SEM、TEM等测试方法对其结构进行了表征;用光催化降解苯酚作 收稿日期:1999—04—06收到 1999—05—05收到修改稿 作者筒介:邓忠生(1971一),男,1996年获硬士学位,现为同济大学讲师 维普资讯 http://www.cqvip.com

8 功能材料与器件学报 6卷 为模型反应,考察了"riO 一Si(h复台半导体气凝胶的光摧化活性,并与普通锐钛矿型钛白粉 进行了比较。 2实验 2.1 Ti02一Si0 凝胶的制备 钛酸丁酯的水解一缩聚速度比正硅酸乙酯快得多,如将正硅酸乙酯(TEOS)、钛酸丁酯 直接与催化剂、水、乙醇等混台,则钛酸丁酯将率先水解一缩聚,这样将得不到结构均匀的 Ti(h—SiO 凝胶。故需先将正硅酸乙酯(TEOS)、钛酸丁酯分别配成SiO: ̄溶胶和TiO2溶胶后 再将这两种溶胶按一定比例混合,用超声波处理使其混合均匀,室温静置使其成为凝胶。凝 胶在70"C乙醇溶液中老化一天后即可进行超临界干燥。 2.2超临界干燥 超I临界干燥(Supercritical Dci ̄s,简称SCD)利用液体在其临界点以上气液界面消失的 现象来避免液体的表面张力,从而保持凝胶的网络结构。以乙醇为干燥介质进行超I临界干 燥,即在高压釜内加入适量乙醇,密闭高压釜后缓慢升温至乙醇的超临界点后缓慢放气,放 气结束后自然降温至室温,开启高压釜即可得TiO —siO 复合半导体气凝胶。 2.3 Ti02一SiO 复合半导体气凝胶的结构表征 用BET自动吸附仪(Micrometries Flow Sorb 1I 2300)测量TiO —si 复合半导体气凝胶 的比表面积,脱气温度为200 ̄C,载气为:30.2%N:,69.8%He。用扫描电子显微镜(Cambridge ¥360)和高分辨率透射电镜(JEM一200CX)观测样品的形貌。用Phfltps PW1700 X射线衍射 仪对TiO ̄-SiO2复台半导体气凝胶进行物相分析(Cu k,40kV)。 2.4 TiO:一SiO 复合半导体气凝胶的光催化反应 为考察气凝胶的光催化活性,以光催化降解苯酚为模型反应,采用波长为365nm和 253.7nm两种紫外灯光源。反应时把催化剂(气凝胶样品)放人含有一定量有机污染物的去 离子水溶液中,然后进行紫外光照射。苯酚浓度用UV755系列紫外可见分光光度计进行检 测。 3实验结果与讨论 3.1 Tio2与SiO2的比例对凝胶化时间的影响 钛酸丁酯水解—缩聚反应的速度很快,加入醋酸使它与钛酸丁酯发生配台反应以降低 水解一缩聚反应速度。分别以醋酸和盐酸为制备TiO2溶胶和SiO:溶胶的催化剂,研究了 o2与SiO 配比对TjO 一 o2复台半导体气凝胶溶胶一凝胶过程的影响。结果见表1,其中 Tim溶胶中各反应物的摩尔比为:Ti(OC ).:H 0:c1 OH:cH ̄COOH:1:2:10:1.5;Sto2 溶胶中各反应物的摩尔比为:¥1(oc:I-I,) :H:O(pH=4):c H,OH=1:2:5。结果表明:凝胶 时间随着复合气凝胶中SiO2的含量增加而碱小。由于醋酸与钛酸丁醋反应生成的配合物水 解—缩聚反应速度较慢,故纯 o2溶胶的凝胶化时间较长。Si(h溶胶的加入使醋酸的配合 作用减弱,从而使钛酸丁酯的水解一缩聚反应速度加快,其结果使复合半导体气凝胶的凝胶 时间缩短。TiO 溶胶(或SiO 溶胶)中的TiO:溶胶颗粒(或SiOt溶胶颗粒)吸附了一定量的带 维普资讯 http://www.cqvip.com

1期 邓忠生等:TiCh一5iO:复合半导体凝胶气凝胶制备及光催化活性研究 9 电离子,溶胶颗粒外必定有相同电荷量的带反向电荷的离子与之平衡,该离子对使TiOz溶 胶颗粒(或SiO2溶胶颗粒)间保持一定的距离,抑制了溶胶颗粒的进一步缩聚长大,使TiO2 溶胶颗粒(或SiO 溶胶颗粒)趋于稳定。两种溶胶混合之后,原有的平衡状态均被打破,有利 于溶胶颗粒的相互缩聚长大,从而使复合半导体气凝胶的凝胶时闯缩短。 袁1 TiO :鲫 摩尔比对复合半导体气凝胶凝胶时间的影响 Table l The effect of TiOz:SiO2 mole ratio 0n lhe ation time ofthe siO2—Ti binary aerogels TiO :SiO2摩尔比 pure TiO 凝胶时间 l:5 l:10 l:15 l:20 3.1.2用水量以及乙醇用量对凝胶化时间的影响 水的用量对钛酸丁酯以及正硅酸四乙酯的水解一缩聚反应影响很大。由于钛酸丁酯的 水解一缩聚速度很快,应严格控制TiO:溶胶中水的用量。一般而言,凝胶时间随用水量的增 加而缩短,如加人水量过多则可能生成TiOz乳白色沉淀而得不到透明的TiO 溶胶和TiOr SiO 复合半导体凝胶。溶剂乙醇使各反应物互溶以保证水解一缩聚反应均匀。此外,乙醇还 起着稀释剂的作用,可用以调节TiO2-SiOz复合半导体气凝胶的密度和凝胶时间,其凝胶时 间随乙醇用量的增加而延长。 3.2 TiO — o2复合半导体气凝胶的结构表征 3.2.1 TiOr—SiO 复合半导体气凝胶的形貌 图1为TiOz—siO 复合半导体气凝胶(TiO :SiOz摩尔比为1:1)的扫描电镜照片,图2 为普通钛白粉的透射电镜照片。由图可见,TiOz-SiO 复合半导体气凝胶具有纳米多孔结 构,其孔洞在几十纳米范围,骨架颗粒为30—50纳米;而普通钛白粉并不具有纳米多孔结 构,其颗粒大小为3~5微米且团聚很厉害,很难分散。 3.2.2复合半导体气凝胶的晶型 XRD测试结果表明:用乙醇超临界干燥得到的TiO2-SiO 复合半导体气凝胶的TiO 为锐钛矿型结构。乙醇超临界干燥温度较高(乙醇临界点为243℃,6.3Mpa),Tio2一SiO 复合 半导体凝胶中的TiO 在超临界干燥过程中由无定型转变为锐钛矿型。 维普资讯 http://www.cqvip.com

l0 功能材料与器件学报 6卷 Fig 1 SEM photograph of the n 一SiOz binary aemgels Fig 2 TEM photograph of"c0mm。c-al ava{lable O2 powder 图1 TiO:一sj02复合半导体气凝胶的SEM照片 图2普通锐钛矿型钛白粉的TEM照片 3.2.3 TiO ̄-SiOz复台半导体气凝胶的比表面积测试 TiO ̄-SiO 复合半导体气凝胶的比表面积测试结果见表2。结果显示:随着sj 含量的 增加,TiO ̄-SiO 复合半导体气凝胶的比表面积先增大,然后略有减小,最后再增大。由于钛 酸丁酯的水解一缩聚反应很快,使得纯TiO 气凝胶的骨架颗粒较大、网络结构较疏松、孔洞 表2 n02— 复合半导体气凝胶的比表面积 Table 2 The speciic surfface a a of SiO2--TiO2 binary aemgels TiO :SiO 摩尔比 pure TiO2 aer。gel 比表面积/m l33.4 l:2 523 8 50l 8 l 10 l:20 503 8 较大,故纯TiO 气凝胶的比表面积较小(仅为67.1m g )。在Ti02-Si02两元气凝胶中,由于 SiOz的加入,所形成的TiO2-SiO2网络结构比纯'rio 网络结构更为致密、孔洞较小。同时, TiO2-SiOz网络削弱了TiOz颗粒之间的强相互作用,使'rio2颗粒之间的团聚减少,从而抑制 维普资讯 http://www.cqvip.com

1期 邓忠生等:TiO:一SiO 复台半导体凝胶气凝胶制备及光催化活性研究 11 了网络中 o2颗粒的长大。因此随着Si(h含量的增加,两元气凝胶的比表面积呈增大趋 势。 3.2.4 TiO:一si0:复合半导体气凝胶的光催化反应 使用波长为365纳米的黑光管对TiO 一si0。复合半导体气凝胶样品或传统的光催化氧 化剂锐钛矿型钛白粉的不同浓度苯酚溶液(浓度从5×10 到2×10 )进行多次光照实验, 均末发现明显的效果。由于普通锐钛矿型钛白粉的光催化氧化性能较差,故在波长为365纳 米的黑光管照射下未能使苯酚发生光降解反应;TiO 一sj0 复合半导体气凝胶未能使苯酚 光降解的原因可能是由于 o2晶粒的纳米尺寸效应使TiO 晶粒的吸收带边蓝移 ,从而使 o2晶粒对波长为365纳米的光响应很弱,吸收的光子数量很少的缘故。 使用波长为253 7纳米的紫外灭菌灯进行光照,当苯酚浓度为5×10 时,TiO:一si0。 复合半导体气凝胶的光催化反应结果见表3。由表可知,不加任何光催化剂,波长为253.7纳 米的紫外光对苯酚基本不起作用;普通钛白粉对苯酚略有光降解的作用,而TiO:一sio2复合 半导体气凝胶对苯酚有显著的光降解作用。表3结果还表明,TiO:一si0。复合半导体气凝胶 材料的光催化活性与其TiO 含量有关,当TiO :SiO:摩尔比为1:1时,其催化活性最强。结合 比表面积测试结果可知,并非Ti(h--SiO:复合半导体气凝胶的比表面积越大,其光催化活性 越高,而应综合考虑比表面积以及TiO:含量等诸多因素使Ti(h--SiO:复合半导体气凝胶光 催化活性最佳。 表3 Ti02-SiO 复台半导体气凝胶的光催化活性 Table 3 Photoeatalytic oxidation of phenol in phenol solutioa(5 x 10 )using SiO,-Ti02 binary aem目 B and particulate photoeatalysts 4结论 以正硅酸乙酯、钛酸丁酯为原料,用溶胶—凝胶法经超l临界干燥制备出了TiO:一sio2复 合半导体气凝胶。TiO::Si(h的不同配比、水和乙醇的用量对TiO。一sio2复合半导体气凝胶 的溶胶一凝胶过程有重要影响。BET、SEM测试结果表明所制备的TiO:一sio2复合半导体气 维普资讯 http://www.cqvip.com

12 功能材料与器件学报 6卷 凝胶具有大的比表 ̄q(523.8rr ̄g ),纳米多孔结构(骨架颗粒约为3O一5O纳米,孔洞尺寸 为几十纳米)。XRD结果显示TiO:一SiO.,复合半导体气凝胶中的TiO 为锐钛矿型结构。苯粉 的光催化降解实验结果表明TiO 一SiO 复合半导体气凝胶光催化活性大大高于普通锐钛矿 型二氧化钛;当TiO2一SiO 复合半导体气凝胶中TiO :SiO 摩尔比为1:1时催化活性最高。 参考文献 [1l FUJISHIMA A.HONDA K【J】Nature.1972,238:3"7 [2l沈伟韧,赵文宽,贺飞,等….化学进展.1998,10:349 Jourrad of Non—Crystalline OlSids,1995,186:402. [3l DAGAN G TOMKIEICZ M【J].J Phys Chem,1993.97:12651 [4l MOHAMED S A,Y0SRY A A.…【5 l YODA S,TASAKA Y,UCHIDA K.et a1.【J].Journal of Non—Crystalline Solids,1998,225:105 【6l孙奉玉,吴鸣,李文钊,等[J1l催化学报,1998,19(3):2 PREPARATION AND PHOTOCATALYTIC AC|兀VⅡ OF TiO2—_siO2 BINARY SEMICONDUCT0R AEROGELS DENG Zhong—sheng ,ZHANG Zhe ,WENG Zhi—nong ,ZHANG Yu—long WANG Jue ,SHEN Jun ,ZHOU Bin ,CHEN Ling—yan (1.Pohl Institute of Solid State Physics, 2.Department of Chemistry, Ton6i University,Shanghai 200092,China) AB IlHACT Nano—porous photocatlysat Ti02一 O2 binary semiconductor aerogels were prepared by the sol—gel me!ad hwith Ti(OGH9),and Si(0c2地)4 as the precursors and by supercritical drying of elJuulo1.The influence of ethanol,water and the mole ratio of TiO2 and SiO2 on the gelation process WO¥investigated.The microstmctum of he Tit02一SiO2 binary semiconductor aemgel WaS also testd by usieng BET、XRD、SEM.The photocatlytaic activity of Ti02一SiO2 binary semicon. doctor aemgels WaS characterized by measuring degradation of phoenol in aqueous suspension.The results showed that the TiO:一Si02 binary aerogels had high surface area(523.8m g )and the diameter of their skeletal particles is 30—50 am.Compared with titania powder(in the form of nataase and particle diameter 3—50,m),it was proved that the Ti02一si02 binary semiconductor aerogel with TiO2:SiO:mole ratio l:1 had the hi出est eficifency in the photocatalytic oxidation of phenol under the same experimental conditions. KEY WORDS:Photocatalytlc;Aerogel;Sol—gel;Super critical drying 

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