Fe_3_掺杂TiO_2纳米膜的制备及光催化性能的研究

1、第34卷第4期2009年4月环境科学与管理文章编号:1674-6139(2009)04-0110-03Fe掺杂TiO2纳米膜的制备及光催化性能的研究李磊,郑立辉,张尊举23+(1.大庆石油学院秦皇岛分院,河北秦皇岛066004;2.中国环境管理干部学院,河北秦皇岛066004)摘要:采用溶胶-凝胶法制备出掺杂Fe3+的TiO2纳米膜,并用x射线衍射方法进行表征;探讨了金属离子铁离子掺杂对TiO2纳米膜光催化降解性能的影响;研究了TiO2纳米膜及掺杂改性的TiO2解作用,同时还尝试不同掺杂的TiO2纳米膜的杀菌功能。Fe光催化降解性能。LiLei,ZhengLihui,ZhangZunju2(1

2、.QinhuangdaoBranchofDaqingpetrolinstitute,Qinhuangdao,Hebei066004,China;2.EnvironmentalManagementCollgeofChina,Qinhuangdao,Hebei066004,China;)Abstract:TheFe3+-dopedTiO2nanofilmwasformedbySol-GelmethodandcharacterizedbypowderX-raydiffraction.3+-dopedTiO2nanofilmhasagoodphotocamlyticdegradationpropert

3、ytotheorganicmattersand3+TheresultsshowthatthephotocatalyticdecomposabilityofTiO2dopedwithironisimprovedobviously.Keywords:sol-gelmethod;TiO2;photocatalysis;FeTiO2作为一种光催化剂越来越受到人们的广泛重视,关于它光催化降解有机污染物的研究已经1-2引起了国内外不同领域学者的关注TiO2光催化剂不仅能完全降解环境中的有害有机物生成CO2和H2O,而且可氧化去除大气中低浓度的氮氧化物和含硫化合物H2S、SO2等有毒气体。此外,TiO2光催

4、化剂还具有杀菌、除臭等方面的作用,能进一步净化、改善人们的生活环境。当纳米TiO2吸收了波长小于385nm以下的光子后,价带中的电子会激发到导带上形成带负电荷的高活性电子,同时在价带上产生带正电的价带空穴,这样半导体表面形成电子-空穴对,空穴对引发的OH自由基在水体中4具有最强的氧化能力,同时价带空穴自身也是强5-6氧化剂,因而能把水中有机污染物降解除去。收稿日期:2008-11-20作者简介:李磊(1980-),男,河北保定人,本科,主要研究方向为环保污染治理。3但TiO2光催化材料还存在电子和空穴的复合率高,量子效率低;光吸收波长范围窄,利用太阳光的比例低;TiO2光催化剂对有机污染物的吸

5、附性能差等方面的不足。因此减慢电子-空穴对的复合,加快界面电子迁移速率,提高TiO2光催化剂对有机物的吸附和扩展激发波长范围,提高其光催化性能7-8是该领域研究的重点。金属离子掺杂可以在半导体的表面上引入缺陷位置或改变结晶度,提高TiO2光响应范围,减少电子和空穴的复合,成为电子或空穴的陷阱而延长OH自由基的寿命,从而9能有效地提高光催化效率。本文采用溶胶-凝胶3+法制备了Fe掺杂TiO2纳米光催化剂,并研究了Fe掺杂对其光催化降解性能界杀菌效果的影响。1实验部分1.1实验材料正钛酸丁酯CH3(CH2)3O4Ti(化学纯)、无水乙醇CH3CH2OH(分析纯)、冰醋酸CH3COOH(分析110第

6、34卷第4期2009年4月李磊等Fe3+掺杂TiO2纳米膜的制备及光催化性能的研究纯)、九水合硝酸铁Fe(NO3)9H2O等。1.2实验仪器801-1型电动搅拌器、UV-7501型紫外分光光度计、DZF-F型真空干燥箱、BS-200S型电子天平、KSY-8型马弗炉等。1.3实验方法3+1.3.1Fe掺杂TiO2纳米膜的制备将钛酸丁酯、无水乙醇、冰醋酸和蒸馏水按一定体积比为5:20:715:1的比例,在室温不断搅拌的情况下,依次混合,配制成均一透明的溶胶溶液,以洁净的玻璃片为基片采用Sol-Gel方法浸涂制备3+TiO2纳米膜。掺Fe薄膜的制备是称取一定量Fe(NO3)39H2O(质量分数1%)

7、依次加入钛酸丁酯、乙酰丙酮、无水乙醇和蒸馏水(5:20:715:1),3+配制成溶胶溶液,2纳米膜。热处理温度为4在浸涂过程中,O2上附载不充分,3次以上,TiO2纳米膜在载体上分布就比较均匀。1.3.2TiO2纳米膜的组织结构采用日本理学D/MAX-rB型x射线衍射仪分析TiO2纳米膜的组织结构,辐射源为CuKa,管电流30mA,管电压35kV,滤波Mn,衍射仪角度转动频率为<80°4°/min,时间常数Tc=2,扫描范围20°<2。1.3.3TiO2纳米膜光催化试验光催化降解甲基蓝:用1000mL容量瓶配制成浓度为1145×10mol/L

8、的亚甲基蓝溶液。量取3份50mL亚甲基蓝溶液分别倒入3只烧杯中,将制得的纯TiO2纳米膜和掺杂Fe(1%)的TiO2纳米膜约40mg依次放入3个装有甲基蓝的溶液中(pH为7),在160W的高压汞灯下照射,用电动搅拌器搅拌,观察变化,4小时后用紫外可见分光光度计测其吸光度。杀菌实验:取少量培养的大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、八叠球菌菌种样品分别滴加到已准备好的薄膜样品和载波片对照样上,然后涂片、染色,然后控制温度4,阳光照射10min,最后在显微镜下对其进行杀菌效果测试。TiO2纳米膜样品均是锐钛矿型。从图1可以看出掺杂了少量Fe后,TiO2纳米膜的x射线衍射峰都向低角度方向移动,并且峰强3+有所降低

9、。表明Fe掺杂取代了部分Ti而进入到TiO2中,且掺杂Fe的样品比纯的TiO2样品的衍射峰宽,说明掺杂之后的纳米晶的粒径尺寸较纯TiO2纳米晶减少了。掺入金属离子会阻碍TiO2的晶粒的生长,从而导致晶粒尺寸的减小并可能改变其结晶度,而影响TiO2光响应范围和电子与空穴的复合,导致催化效率的改变113+。图1Fe3+掺杂TiO2纳米膜的XRD图谱(500,4h)2.2TiO2纳米膜光催化性能评价利用紫外可见分光光度计测定了TiO2对甲基蓝溶液的降解,其吸光度的变化曲线,如图4所示。3+从图2中可以看出原液经TiO2纳米膜和Fe掺杂的TiO2纳米膜光降解作用后主峰的吸光度明显降低,并且经掺杂的Ti

10、O2纳米膜光降解作用后溶液主峰的吸光度最低。这表明TiO2对甲基蓝的降解有明显的作用,Fe的加入增强了TiO2纳米膜的光催化作用,提高了TiO2纳米膜的降解效果。3+2结果与讨论2.1TiO2纳米膜的组织结构分析TiO2纳米膜有三种晶型,其中只有锐钛矿和金图2Fe3+掺杂的TiO2纳米膜光降解甲基蓝的吸光度曲线红石有催化活性。大多数研究结果表明锐钛矿晶型10的光催化活性优于金红石。本文所制备的纯掺3+杂1%Fe的TiO2纳米膜的x射线衍射测试图谱如图1所示。与标准x射线衍射数据比较,确认2种2.3TiO2纳米膜杀菌效果TiO2纳米膜和Fe掺杂的TiO2纳米膜的杀菌3+效果如图3和表1所示。图3

11、是显微镜下不同基片上八叠球菌的情况,观察发现空白载玻片基本上都111第34卷第4期2009年4月李磊等Fe3+掺杂TiO2纳米膜的制备及光催化性能的研究是活菌株,TiO2样品基片有少量活菌株,Fe掺杂TiO2样品基片活菌株最少。说明TiO2纳米膜和Fe掺杂的TiO2纳米膜均具有杀菌作用,且Fe的3+3+3+掺杂增强了TiO2杀菌作用。由表1数据进一步表明Fe的掺杂对八叠球菌,大肠杆菌和枯草芽孢杆菌均具有较好的杀菌率。3+图3(a)空白载玻片;(b)TiO2样品基片;(c)3+TiO2样品基片表1Fe3+掺杂的O2八叠球菌项目总菌数活菌数杀菌率空白载玻片180O23390玻片180TiO2Fe3

12、+掺杂TiO2样品390枯草芽孢杆菌空白载玻片350TiO2Fe3+掺杂TiO2样品355320样品320样品3764218%6010%9812%4414%8911%9617%4213%9014%9912%4MasakazuAnpo,YutakaKubokawa,TakahitoShima.3结论本文采用Sol-gel法制备了高活性纯和掺杂3+Fe的TiO2纳米膜,并运用x射线衍射对其进行表征,进行降解甲基蓝和杀菌的实验研究。结果发现:3+掺入金属离子Fe之后的TiO2纳米膜,在500高温处理后,为光催化活性较好的锐钛矿型,其光催化活性比纯TiO2纳米膜进一步提高,具有较高的光催化活性和杀菌作

13、用。参考文献:1ChengPing,ZhengMaoping,JinYangping.Prepara2tionandCharacterizationofSilica-dopedTitaniaPhotoeatalystthronghSol-gelMethod.MMaterLetters,2003,57:2989-2994.-ESRandphotoluminescenceevidenceforphotocatalyticforma2tionofhudroxylradicalsonsmallTiO2particlesM.ChemLett,1985,168(2):1799-1802.5Carraway

14、,JHofmann.Photocoxidationoforganicacidonquantum-sizedsemi-conductioncolloidsM.EnvironSciTechnok1994,28(15):786-793.6GuozhengLi,RuthMQumt.Pulsedlaser-includedox2idationofphenolinacidaqueousTiO2solsM.J.ChemSocTaradayTrans,1991,87(8):1097-I101.途径J.硅酸盐通报,2000(1):53-57.技术研究J.中国给水排水,2001,17(2):65-67.FormedinTiO2AqueousSuspensionsbyPhotocatalytic催化性能研究J.材料科学与工艺,2002,10(1):28-31.Reactionan