造纸废水降解二氧化钛改性催化剂的制备

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第一章 绪论 1.1 研究的目的及意义

随着我国染料工业的稳定发展，印染行业已成为工业废水的排放大户。据不完全统计，全国印染废水排放量约为3×106～4×106m3/d[1]，主要来源于染料及染料中间体生产行业，由各种产品和中间体结晶的母液、生产过程中流失的物料及冲刷地面的污水等组成。我国染料工业具有小批量、多品种的特点，大部分是间歇操作，废水间断性排放，水质水量变化范围大。染料生产流程长，产品收率低，废水组分复杂、浓度高色度深(500～50万倍)[2]。废水中的有机组分大多以芳烃及杂环化合物为母体，并带有显色基团(如一N=N-、-N=O)及极性基团(如一S03Na、-OH、-NH2) 。废水中还含有较多的原料和副产品，如卤化物、硝基化合物、苯胺、酚类等，以及无机盐如NaCI, Na2S04, Na2S等。由于染料生产品种多，并朝着抗光解、抗氧化、抗生物氧化方向发展，从而使染料废水处理难度加大。染料废水的处理难点:一是COD高，BOD/COD值小，可生化性差;二是色度高，且组分复杂。

从理论上讲，多种物理化学方法和生物方法都可以用于染料废水的脱色处理，如物理化学法[3](常用的有吸附法、膜技术絮凝沉淀、吸附、离子交换、超滤、渗析等)、化学法(如氧化[4]混凝法[2]、电解法[1,5,6]等)、生物法(投菌法、厌氧好氧工艺等)、光氧化[7～13]及超声波降解方法[14, 15]。考虑到工业效率与处理成本，目前工业上常用的方法有絮凝沉淀(气浮)物降解等方法。其处理机理大致为两种:(1)富集发色物质，再分离去除；(2)破、电解、氧化、吸附、生坏发色物质，以达到脱色和降解有机物的目的。化学氧化法一般采用湿式氧化法，设备造价高，其中O3氧化法效果较好，但O3投加量大、成本高。Cl氧化法虽处理效果好，但它容易与水中有机物生成毒性很大的氯代有机物，造成二次污染。吸附法只对亲水性染料作用明显，并且易受水中悬浮物、染料和油脂的影响而失效，同时吸附剂用量大、费用高;而混凝法仅对疏水性染料效果明显，而对亲水性染料的脱色效果差、COD去除率低。生物法具有占地面积小、运行成本低、无二次污染的优点，但近年来由于化纤织物的发展和印染后整理技术的进步，使PVA浆料、新型助剂等难生化降解有机大分子进入印染废水，原有的生物处理系统对CODMn的去除率从70%降到50%左右，甚至更低。所谓Ti02光催化氧化降解，就是在水中加人一足量的光敏半导体材料，结合具有一定能量的光照射和超声波辐射，光催化剂被光激发出电子一空穴对，而吸附在半导体表面的水及污染物的分子接受光生电子对一空穴对，同时超声波能活化光催化剂，也能产生羟基自由基，从而发生一

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http://www.titaniumdioxide.cn/ http://dgsl.xx351.com/ 系列的氧化还原反应，使有毒、有色污染物降解为无毒或毒性较少的物质的一种水处理方法。 由于甲基橙是一种常用的偶氮染料，在染料废水具有一定的代表性，另外甲基橙在462nm处有一特征吸收峰，易于实验和检测。故选用甲基橙做本论文研究的对象。 本论文所使用的催化剂是无毒和价廉的Ti02半导体，光源是375W紫外灯，实验装置为组合式催化箱，实验装置简单，具有高效率、可操作、去污率高等突出优点。因此本文通过光催化降解甲基橙来研究染料废水的降解。 1.2 介孔材料概述

按照国际纯粹和应用化学联合会( IUPAC , International Union of Pure and Applied Chemistry) 的定义,介孔材料(mesoporous materials) 是指孔径介于2～50nm 的多孔材料,介孔材料的孔径分布介于微孔(micropore ,孔径< 2nm)和大孔(macropore ,孔径>50nm) 之间。1992 年,利用模板法合成M41S 系列有序介孔SiO2材料的研究工作首次被报道出来,此后多种材料( TiO2 、ZrO2 、Nb2O5 、V2O5 等) 的介孔结构相继被合成出来。光催化是指当光照射光催化材料时,在其表面上进行的化学反应的反应速率或反应产物发生改变的催化现象。目前光催化的研究主要集中在光催化分解水制氢和光催化降解有害污染物方面,这对人类获得可再生能源、净化环境有重要的意义。TiO2 是一种在紫外光照射下具有光催化活性的重要金属氧化物半导体材料,在环境净化、太阳能转换、化学传感等方面有广泛的应用。从应用的角度看,介孔TiO2 具有较大的比表面积,均匀的孔径及规则的孔道分布,使其具有普通颗粒TiO2 无法比拟的优势。对介孔TiO2 的光催化性质研究表明,介孔结构可以明显提高TiO2 的光催化性能,对有害气体液体等的光催化降解,效率明显高于纳米颗粒TiO2 ,并且在特定情况下已经超过高效光催化剂P25 。此外,在染料敏化太阳能电池中,用介孔TiO2 作电极比用普通纳米晶TiO2。 1.2.1 介孔材料的基本性质

介孔材料是一种孔径介于微孔与大孔之间的具有巨大表面积和三维孔道结构的新型材料。介孔材料的研究和开发对于理论研究和实际生产都具有重要意义。它具有其它多孔材料所不具有的优异特性：具有高度有序的孔道结构；孔径单一分布，且孔径尺寸可在较宽范围变化；介孔形状多样，孔壁组成和性质可调控；通过优化合成条件可以得到高热稳定性和水热稳定性。 它的诱人之处还在于其在催化，吸附，分离及光，电，磁等许多领域的潜在应用价值。介孔材料是一种多孔固体材料，是继微孔沸石分子筛之后的又一类分子筛材料。它具有蜜蜂窝样的孔道，很多介孔材料的孔道都是规则有序排列的，包括层状、六方对称排列和立方对称排列的孔道结构。与蜜蜂窝相比，介孔材料的孔道可小得多了，只有2－50纳米

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http://www.titaniumdioxide.cn/ http://dgsl.xx351.com/ 大小；也就是说，蜜蜂窝上的孔是介孔材料中孔道大小的一百万倍。介孔材料的孔道大小分布非常的均匀，这种多孔结构使得单位质量介孔材料的表面积变得很大，甚至会高达1000平米/克，所以介孔材料可以作为一种很好的催化剂或者是催化剂的载体。另外，介孔材料还有一个比沸石分子筛（孔径小于2纳米）更突出的优点，那就是它的孔道足够大到了可以让一些有机大分子、生物高分子通过，所以用介孔材料可以“筛选”沸石分子筛不能“筛”的大分子，可以用在大体积分子的吸附、分离和催化反应中，像石油化工、生物催化、医药分离等领域。

一般制备介孔材料需要以下几种原料：有机表面活性剂、水、酸或碱、形成墙体骨架的物源。其中在这里，有机表面活性剂就相当于制空心砖用的“模子”，不过它可是溶解在水中的“软模板”。将“软模板”、酸或碱融解在水中，然后加入形成骨架的物源，物源在水溶液中水解并沉积在表面活性剂的周围，形成一种复合结构。最后通过煅烧或者溶剂抽取（萃取）除去表面活性剂模板，模板除掉以后就会留下一个一个的小孔，这样就得到了介孔材料。

介孔材料的孔道虽然很小，却是很好的“纳米微反应器”，像介孔氧化硅的孔壁上还有大量的具有化学反应活性的化学键，使得在很多化学反应能够在孔道中实现。通过各种化学的或物理的方法，可以将各种各样的催化剂组装或引入到介孔材料的孔道中，或者利用一定的化学键作用将催化剂“铆钉”到介孔材料的孔壁上或孔壁骨架中，实现催化剂的高度分散和固定，这样就得到了以介孔材料为载体的高效催化剂材料。这些复合的介孔材料催化剂不仅催化效率高、活性好，而且更容易回收和重复利用，尤其是在大体积分子参与的化学反应中更突显其优势。

除了上面所说的，介孔材料的用途可不是仅仅限于催化领域。研究人员还可以在介孔材料的孔道中合成几个纳米粗细的金属纳米丝或半导体纳米线；将专门可以“吞噬”有毒重金属离子（如汞, 铅等）的物质“铆钉”到介孔材料中去，可以得到专门大量“吞噬”有毒重金属离子的污水净化材料，介孔材料的多孔结构和高表面积大大增大了材料的“肚量”；将对气体（如一氧化碳等）敏感的化学物质引入到介孔材料中，可以得到灵敏百倍的气体传感器；将发光物质装载到介孔材料的孔道中，利用介孔材料的孔道将发光物质的颗粒大小限制在几个纳米大小的尺寸，可以很大程度上提高它们的发光强度和效率。另外，介孔材料在其它的一些诸如生物、医药、光电器件等领域也展现了引人注目的应用前景。 1.2.2 介孔材料的特性

介孔材料是一类孔径在2～50nm之间的多孔材料，具有规则的孔道结构，孔径分部窄，且可

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http://www.titaniumdioxide.cn/ http://dgsl.xx351.com/ 以调节；经过优化合成条件或者后处理，可具有很好的热稳定性和一定的水热稳定性；颗粒具有规则外形，且可以在微米尺度内保持高度的孔道有序性等。正是由于其具有可调的规整介孔孔道、高的比表面积、显著的吸附性质和高的热稳定性等诸多优点，使其一问世即成为工业应用（如吸附和分离、离子交换、光催化剂、分子筛等）的首选。 1.2.3 介孔TiO2改性

二氧化钛作为一种重要的半导体光催化材料，它有三种不同的晶相：板钛矿、锐钛矿、金红石，具有光催化降解有机物活性高、化学性质稳定、耐化学和光化学腐蚀以及无毒等特性，因而在污水处理及空气净化等方面有着重大的潜在应用价值。然而锐钛矿和金红石型二氧化钛是宽禁带材料，它们的禁带分别为3.2 eV和3.02 eV，仅能吸收太阳光谱的紫外光部分，太阳能利用效率低，通常需要用紫外光源来激发，这限制了其实际的应用。国内外许多研究者为了提高二氧化钛对太阳光的利用率，进行了许多有益的尝试，如通过对TiO2掺杂过渡金属离子[19,20]、与其他纳米材料进行纳米复合等方面的研究，改进光催化剂的禁带宽度，使反应的响应光谱向可见光扩展，并且有效地抑制电子空穴的复合，提高TiO2半导体的催化活性和光催化效率，进而提高处理多种有机废水的能力。

TiO2的光催化活性除了与催化剂粒径、光吸收效率、吸收光波长有关外，还与激发空穴-电子对(h+/e-)的复合速率有关。采用TiO2掺杂过渡金属离子和固定化技术可以延长电子(e-)和空穴(h+)的寿命，抑制h+ / e–复合,扩展光吸收波长的范围，提高TiO2光催化活性和光催化效率。过渡金属离子掺杂可以提高TiO2的光催化效率，一般认为有以下原因： (1) 掺杂可以形成捕获中心，价态高于Ti4+的金属离子捕获电子，低于Ti4+的金属离子捕获空穴，抑制h+/e- 复合。

(2) 掺杂可以形成掺杂能级，使能量较小的光子激发掺杂能级上捕获的电子和空穴，提高光子的利用率。

(3) 掺杂可以导致载流子的扩散长度增大，从而延长了电子和空穴的寿命，抑制了h+/e- 复合。

(4) 掺杂要可以造成晶格缺陷，有利于形成更多的Ti3+氧化中心。 1.2.4 介孔材料的制备方法

溶胶－凝胶法是在室温下进行的一系列反应，采用此方法制备的产物是经过溶液中混合、反应而成。保证了材料原子水平上的均匀性。由于整个工艺接触的是有机溶剂、去离子水等不引入外加离子的物质，因而制备的材料是高度纯净的。因此溶胶-凝胶法以其工艺简单、产品纯度高、化学组分均匀等特点被用于制备TiO2。

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http://www.titaniumdioxide.cn/ http://dgsl.xx351.com/ 1.3 介孔TiO2的光催化作用机理

TiO2光催化剂共分为7个步骤来完成光催化 的过程：

TiO2+hv→ e-+h+ (1) h+ +H20→·OH+H+ (2) e--+02 →·OO- (3) ·OO+H→·OOH (4) ·OO+e--+2H+ →H202 (5) H2O2─→2·OH (6) h-+OH-→·OH (7)

当一个具有hv能量大小的光子或者具有大于半导体禁带宽度Eg的光子射入半导体时，一个电子由价带(VB)激发到导带(CB)，因而在导带上产生一个高活性电子，在价带上留下了一个空穴(h+ )，形成氧化还原体系。溶解氧及水和电子及空穴相互作用，最终产生高活性的羟基。· OH自由基具有强氧化性，能把大多数吸附在TiO2表面的有机污染物(简称为R)降解为CO2、H2O，把无机污染物氧化或还原为无害物。

对于染料光催化降解来说，在可见光照射下，染料溶液的Ti02光催化降解不仅破坏了染料分子中的共轭发色体系，而且破坏了其结构，吸附在Ti02表面上的染料被激发后，向Ti02导带注入一个电子生成正碳自由基，导带中的电子可以和溶解在水中的O2生成O2·，并进一步转化成为HOO·或·OH自由基。这些活性氧类进攻染料自由基后，OH与发色基团中Ar-N-N-Ar的-N-N-反应生成Ar-NO,Ar-NA等，经过一系列复杂的氧化反应，染料被分解生成小的有机及矿化产物(如SO42- 、 CO2等)。 1.4 影响光催化活性的因素

TiO2的晶型结构，催化剂中SiO2掺杂比，溶液pH值，催化剂的用量和催化剂的焙烧温度都会影响催化剂的活性。 1.5 提高TiO2光催化性能的途径

过渡金属离子掺杂，贵金属表面沉积，表面光敏化，表面超强酸化, 微波场作用下光催化反应；热催化与光催化的耦合反应，室温等离子体光催化反应，生物光催化反应，电场助光催化反应[21]

1.6 改性催化剂在降解造纸废水中的应用

近年来, TiO2 光催化性能日益受到人们的重视。由于TiO2 具有良好的化学稳定性、

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http://www.titaniumdioxide.cn/ http://dgsl.xx351.com/ 抗磨损性、低成本以及可直接利用太阳光等优点, 因而在光电转换、化学合成以及光催化氧化环境污染物等方面具有广阔的应用前景。但由于TiO2 光催化剂带隙较宽( Eg = 3. 2 eV ,λ= 387 nm) ,只有在λ小于387 nm 的紫外光激发下,价带电子才能跃迁到导带上形成光生电子和空穴分离。而且, 由于光激发产生的电子和空穴的复合, 导致光量子效率很低。为克服这些缺点, 人们采取多种手段对TiO2 进行改性,在作为n 型半导体的TiO2 中掺入P 型半导体,其中包括贵金属修饰、半导体复合、染料敏化和过渡金属离子的掺杂等,以便改进TiO2 光催化剂的禁带宽度,使反应的响应光谱向可见光扩展,并且有效地抑制电子空穴的复合,提高半导体的光催化率。

过渡金属离子掺杂可在TiO2 晶格中引入缺陷位置或者改变结晶度,从而影响电子与空穴的复合;某些金属离子的掺入还可以扩展光吸收波长的范围。

因而探索非常规技术降解有色废水的应用基础、技术和方法已成为国际上科技界关注的焦点问题。我们认为:利用超声波降解结合高效半导体光催化剂及一定波长的紫外光可解决传统处理方法中存在的问颗。

随着研究的深入，人们发现半导体催化剂在太阳能储存于利用，光催化转换及有机污染物的环境处理方面，有着诱人的前景。其中Ti02因其光稳定性高和高效性而备受人们青睐。1972年，Fujishima[22]报道了在光电池光辐射Ti02可持续发生水的氧化反应，产生H2。 1976年S.N.Frank等[23]将半导体材料用于催化光解污染物，取得了突破性的进展。光催化氧化法结构简单、操作条件容易控制、氧化能力强，具有广阔的应用前景。 1.7 SiO2-TiO2应用前景

SiO2和TiO2是广泛研究的两类介孔材料，对其复合材料的研究近年来也引起很大兴趣。SiO2与TiO2复合，兼顾SiO2的结构性和TiO2的功能性，有望开发出新型复合材料。 近些年来，以TiO2为代表的光催化剂，在防污、环境净化等方面的用途在不断扩大。但是，TiO2材料，只在紫外光或太阳光下才具有光催化活性，在几乎没有紫外光的环境中则不呈现光催化活性。因此，人们期望能找到一种不只在紫外光，即使在可见光下依然具备光催化活性的材料。研究表明，对纳米粒子表面进行化学修饰可以控制颗粒大小和稳定性，对其进行包覆或表面活性处理，能有效的改进其性能[24]。

李群艳等[25]，以单分散SiO2微球为核，制备出了单分散SiO2/TiO2/SiO2多层包覆颗粒。他们以氨水为催化剂，以乙醇为溶剂，使TEOS水解，制备得到SiO2溶胶，并以其为核，使TBOT在其表面进行水解，反应形成40nm的包覆层，再以此包覆粒子为核，使TEOS在其表面水解，得到10 nm后的包覆层，最终制成了SiO2/TiO2/SiO2光子晶体。其中，TiO2及

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http://www.titaniumdioxide.cn/ http://dgsl.xx351.com/ SiO2层用以提高复合微球的光折射率，同时保持了复合微球的单分散型并改善了其表面性质。

由于二氧化钛粉末存在易聚集、易失活、较难回收和再利用等特点，严重限制了二氧化钛的应用发展。克服这一缺点的有效办法是制备复合光催化剂，进而提高其催化性能。 宋秀芹等人[26]，以SiO2为核，通过表面活性剂十二烷基硫酸钠在SiO2表面进行组装了TiO2的纳米粒子膜。二氧化钛的在复合颗粒表面排列紧密、均匀，壳层厚度随组装层数的增加而均匀增加。

Kim Ki Do等人[27]，采用溶胶－凝胶法和微乳液法在SiO2上包覆TiO2粒子，按照此方法，首先制备SiO2粒子并以它为载体在其上进行包覆，发现这两种方法都是遵循第一动力学聚合核增长机制，而且溶胶－凝胶法比微乳液法反应速度快，更有利于SiO2上包覆TiO2粒子的增长。

总之，关于TiO2与SiO2复合粒子的研究还处于开始阶段，关于其性能、应用的开发还有待于进一步深入。

1.8 论文的研究的目的、意义和内容

TiO2和SiO2是目前研究和应用较为广泛的两种纳米材料。本文在酸性条件下以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板剂，钛酸四丁酯(TBT)和硅酸四乙酯(TEOS)为前驱体，制备出了较大比表面积的掺杂介孔TiO2,并以此为催化剂，对染料废水中的甲基橙降解进行了研究，为光催化剂在染料废水处理方面的应用进行了探索。关于TiO2的研究较集中在其光催化性能方面，主要应用于光催化剂、涂料、化妆品抗紫外、增白等方面。而SiO2的研究主要集中于其作为载体、填料方面，被应用于提高陶瓷制品的韧性、光洁度；人造莫来石材料；橡胶、粘结剂、塑料、油漆、功能纤维等的添加剂；纸张表面涂层（瓷土）的重要原材料等。所以，深入研究SiO2、TiO2材料，开发其新性能，有着重要的现实意义。 第二章 TiO2改性催化剂的制备及性能表征 2.1试剂与仪器

钛酸四正丁酯 TBT(C.P.) 国药集团化学试剂有限公司 硅酸四乙酯TEOS（A.R.） 中国医药（集团）上海化学试剂厂 CTAB（A.R.） 国药集团化学试剂有限公司

无水乙醇 (A.R.) 莱阳经济技术开发区精细化工厂

pHS–25型酸度计 上海精科雷磁仪器厂

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http://www.titaniumdioxide.cn/ http://dgsl.xx351.com/ HH–1型恒温水浴器 国华电器有限公司 DRZ–电阻温度控制器 龙口市电炉制造厂

DHG–9140A型电热恒温鼓风干燥器 上海精宏实验设备有限公司 玻璃仪器气流烘干器 郑州杜甫仪器厂

KQ2200型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司 JEM－100CXⅡ型透射电子显微镜 日本理学电机公司 德国Tensor27红外分光光度计 2.2 催化剂的制备

⑴ TiO2溶胶的制备：把一定量的TBT溶液在磁力搅拌下逐滴滴入含水的浓盐酸中，表面活性剂CTAB溶于乙醇溶液，把该溶液在磁力搅拌下逐滴加入上述溶液中，其中试剂的摩尔比为：TBT/浓盐酸/水/CTAB/乙醇=1.0/1.4/17/0.16/20。

⑵SiO2溶胶的制备：用盐酸调水的pH值为3，加入TEOS，搅拌2h，将CTAB溶于乙醇中，缓慢滴加入上述溶液中，搅拌3h,其中试剂的摩尔比为：TEOS/水/CTAB/乙醇=1/2/0.25/20。 按一定的摩尔比将上述两种溶胶混合，使SiO2地掺杂量分别为1%、3%、5%.所得溶胶50℃水浴老化一周，分别在350℃和400℃下焙烧7～8h,即得产品。 2.3 催化剂的性能表征

将溶胶-凝胶法制备的SiO2－TiO2 介孔复合材料通过不同温度热处理后，得到了不同粒径、不同形态的TiO2 - SiO2粒子。并采用 XRD(X-射线衍射分析)、FT-IR(红外光谱分析)等分析手段对其进行表征。 2.3.1 X射线衍射分析

X射线衍射仪可利用物相的定性和定量分析以及晶粒度、介孔结构等的测定。XRD的定性分析是利用XRD衍射角位置及强度来鉴定样品的物相组成，通过对未知物相的衍射花样与已知物相的衍射花样比较，可以鉴定出样品中的各种物相；XRD定量分析是利用衍射线的强度来确定物相含量。每一种物相都有各自的特征衍射线，而衍射线的强度与物相的质量分数成正比，各物相衍射线的强度随相含量的增加而增加。

XRD测定晶粒度是基于衍射线的宽度与材料晶粒大小有关这一现象，晶粒大小可由Scherrer公式：D = 0.9 λ / B cosθ计算。 其中D为晶粒大小，λ为x射线波长0.1540 nm，B为衍射峰半峰宽，θ为Bragg角。

本实验采用D/MAX 2200PC型X射线衍射仪分析（日本理学电机公司），选用Cu Ka辐射，λ= 1.5406 ?，加速电压40 KV，电流28 mA，扫描范围10－70o，步速10 o /min。

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http://www.titaniumdioxide.cn/ http://dgsl.xx351.com/ 2θ=25.3°(101),37.9°(004),47.8°(200),54.3°(211)处出现锐钛矿相特征衍射峰，表明400℃焙烧后介孔SiO2-TiO2为锐钛矿相。研究表明，随着煅烧温度的升高，TiO2会由无定形向锐钛矿型转变。图为煅烧温度为400 ℃时不同配比TiO2 - SiO2介孔粉体的X射线衍射图。从图中可以看出，锐钛矿相TiO2衍射峰强度有变化，晶粒大小由Scherrer公式：D = 0.9 λ / B cosθ计算出1%SiO2-TiO2粉体的晶粒大小为3.5336nm, 3%SiO2-TiO2粉体的晶粒大小为3.5490nm,5%SiO2-TiO2粉体的晶粒大小为3.5035nm,即随着SiO2掺杂比的增大，SiO2-TiO2粉体的晶粒大小先变大再减小，即结晶度先变大再变小，这说明SiO2掺杂比在3%时，催化剂的结晶度最好，提高了TiO2的相转变温度，使复合材料热稳定性大大增加，因此在掺杂比为3%时催化效果最好。 2.3.2 FT-IR分析

红外光谱是由于分子吸收了红外光的能量之后发生振动能级和转动能级的跃迁而产生的一种吸收光谱。红外光谱是指 λ=2.5—1μm相当于 4000～625cm-1，这种光只能对应分子振动能级和转动能级的跃迁。由于吸收强度通常是用T%来表示，所以吸收愈强，曲线愈向下，IR谱图上的那些“谷”，实际上是“吸收峰”，又称吸收带。纵坐标表示分子对某波长的红外光吸收的强度，横坐标指出了吸收峰出现的位置。在IR谱图中，吸收峰一般不按其绝对吸光强度表示，而是粗略的分为：强(S)、弱(W)、中强(m)；并按形状分为：尖(sh)、宽(b)等。上述属性均是分子振动能级跃迁而引起的，而且均与分子的构造有严格的因果关系。连续的红外光与分子相互作用时，若分子中原子间的振动频率恰好与红外光波段的某一频率相等时，将引起共振吸收，使光的透射尝试减弱，因此可利用红外光谱图表征物质中分子或原子基团的振动进行分子结构、物质化学组成分析。TiO2骨架结构采用红外可见光谱分析（FT-IR)(德国Tensor27红外分光光度计）。

煅烧温度为400 ℃时0.03SiO2－TiO2和纯TiO2的红外光谱图。400-1000 cm-1宽的强吸收峰是TiO2晶体表面的Ti－O键伸缩振动所致，1134.59cm-1附近吸收带是Ti－O－Si键的振动谱振动谱带，1624.34cm-1附近的吸收带代表吸附的水分子中H–O–H的弯曲振动谱带，而3332.05cm-1附近弱的吸收峰来自于表面O－H伸缩振动的贡献，1624.34 cm-1和3176.33cm-1、3332.05cm-1附近的弱吸收表明在TiO2介孔微粒表面存在吸附H2O，在1000-1500cm-1附近未出现C-N键的振动谱带，这说明模板剂CTAB在焙烧过程中已经烧光。图中未出现1125-1035cm-1的Ti-O-C伸缩振动峰，这说明钛酸四丁酯水解很完全，而且-CH3，-CH2基团的伸缩振动峰2950 cm-1、 2920 cm-1 、2900cm-1也未出现，说明热处理后有机物己经完全分解。从图中可以看出，有Ti－O－Si键的出现，这说明SiO2是以无定形分散

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http://www.titaniumdioxide.cn/ http://dgsl.xx351.com/ 在锐钛矿TiO2周围，而且TiO2与SiO2的表面发生键合作用。

2.3.3 透射电子显微镜TEM

透射电子显微镜TEM是以电子束透过样品经过聚焦与放大后所产生的物像， 投射到荧光屏上或照相底片上进行观察。透射电镜的分辨率为0.1－0.2 nm，放大倍数为几万－几十万倍。TEM不仅可以检测介孔粒子的粒度大小及其粒度分布，还可以检测介孔结构材料上分散及分布特征，并能直观地看到介孔粒子的形貌、表面纹路及精细结构。本实验采用JEM－100CXⅡ型透射电子显微镜（日本理学电机公司），目的是研究介孔TiO2的颗粒形貌及大小。 相同配比的复合材料颗粒在煅烧温度为400 ℃时分散性比较好，煅烧温度为350 ℃时稍微有点团聚，这说明温度升高有助于复合材料的分散，分散好时，催化剂的催化性能提高。 2.3.4 BET(比表面积)分析

分析BET比表面积测定方法是利用气体的低温吸附，即以气体分子占据颗粒表面，测量气体吸附量计算比表面积。本实验采用ST – 80 A型比表面仪上测定样品的比表面积，吸附气体为氮气。

1% SiO2-TiO2样品的比表面积随着焙烧处理的温度升高而减少，而5% SiO2-TiO2样品的比表面积随着焙烧处理的温度升高而增加，由此大体可以得出1% SiO2-TiO2样品应该在350℃时催化效果好一些，而5% SiO2-TiO2样品应该是在400℃时催化效果好一些。 第三章 TiO2改性催化剂的催化性能 3.1 试剂与仪器

硫酸（A.R.） 烟台三和化学试剂有限公司 甲基橙 （A.R.） 天津市广成化学试剂有限公司 pHS–25型酸度计 上海精科雷磁仪器厂 DHG–9140A型电热恒温鼓风干燥器 上海精宏实验设备有限公司 玻璃仪器气流烘干器 郑州杜甫仪器厂 KQ2200型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司 375 W的紫外灯 北京光电源研究所 TG16台式高速离心机 湖南凯达实业发展有限公司

3.2光催化性能实验

光催化性能实验是在带有循环冷却水的自制组合式光催化箱中进行的，取100ml浓度为

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http://www.titaniumdioxide.cn/ http://dgsl.xx351.com/ 30mg/L的甲基橙溶液，根据正交实验表调节实验条件，加入对应量的催化剂，避光超声分散20min，以375W直管形高压紫外灯为光源，灯距液面的距离为15cm，每隔20min取出10ml溶液，经TG16台式高速离心机（湖南凯达公司）6000r/min的转速下离心15min，除去介孔TiO2,随后用上海仪器厂生产的UV757型的紫外—可见分光光光度计测定甲基橙的吸光度，并于为降解的甲基橙紫外吸收光谱作比较，计算甲基橙的降解率。降解率的计算根据： W=(A0-At)/A0×100% A0—甲基橙初始吸光度

At—反应t时间时甲基橙的吸光度

选择最优条件，在该条件下做验证实验，步骤与上述实验相同，并相同条件下即在相同pH值、相同催化剂用量、相同催化剂焙烧温度的条件下与纯TiO2的降解效果做比较。光催化反应 1. 氧气入口 2. 紫外灯 3. 玻璃夹套 4. 冷凝水进水口 5. 磁力搅拌器 6. 冷凝水出水口

7. 催化剂一目标降解物溶液

3.3 SiO2-TiO2改性催化剂的光催化性能分析

通过L9(34)正交实验得出降解甲基橙的最优方案为A2B1C3D2,即在掺杂量为3%，pH为3，催化剂用量为2g/L，焙烧温度为400℃时，甲基橙的降解效果最好，经验证在该条件下降解效果最好，这说明该方法可行。

从表3-2中可以看出最优方案条件下降解率比纯的TiO2催化活性要高。这是因为掺杂后的介孔TiO2具有极大的比表面积，能够为光催化提供更大的有效面积，将有机物吸附到TiO2粒子周围，增加了界面浓度，有利于有机污染物的吸附降解及半导体光生电子-空穴的分离，从而加快了反应速度，提高了催化效率。

适宜温度的焙烧，可以使催化剂既保持一定的颗粒大小，又可以使TiO2以一定比例的锐钛矿和金红石两种晶型存在。温度如果太低，则TiO2由无定形体向晶体的转化不完全。随着焙烧温度的升高，催化剂颗粒的粒径会逐渐增大，金红石相TiO2的比例也会增加。但

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http://www.titaniumdioxide.cn/ http://dgsl.xx351.com/ 是，锐钛矿型TiO2对O2的吸附能力比较好，比表面积较大，因此催化活性提高。

由下图3-3可以看出，在一定的催化剂用量范围内降解速率随着催化剂用量的增加而增加,原因可能是[28]:当TiO2 投量较小时,有效光子不能完全转化为化学能,适当增加催化剂用量则能产生更多的电子—空穴对,可加快反应速度，使降解率增大。综上所述,确定最佳催化剂用量为2g/L。

通常情况下，催化剂分散得越好，受紫外线照射的面积越大，产生的电子一空穴越多，同时空穴迁移到Ti02表面的越多，光催化活性就越高。溶液的pH值能改变颗粒表面的电荷，从而改变颗粒在溶液中的分散情况。当溶液pH值接近Ti02等电点时，由于范德华引力的作用，颗粒之间容易团聚形成大颗粒。TiO2的等电点pH值为3.0，因此，当悬浮液pH值远离等电点pH值时，由于颗粒相互间的排斥力，其在溶液中分散很好。此时，有机污染物被纳米TiO2光催化降解的效率更高。但在本实验中随着pH值的增大，甲基橙的降解率在下降，随着pH值增大，甲基橙的降解率降低，这可能是由于pH值增大，抑制了催化体系中羟基自由基(·OH)的生成，从而降低了催化剂的催化活性，所以在选择的pH值中，pH=3为最优pH值。

适量SiO2掺杂TiO2的光催化活性较纯的TiO2高，且在掺SiO2量为3 %时达到最佳催化效率。这可能是因为SiO2的掺杂使TiO2晶粒尺寸减少，比表面积增大；TiO2的光谱响应范围向可见光区拓展，增强了对可见光的吸收，使介孔TiO2的光催化活性提高。同时，由于掺杂SiO2成为电子(e–)和空穴(h+)的陷阱，减少了e– / h+的复合，也有助于光催化活性的提高。但是，当掺杂的SiO2离子超过3%时，其光催化活性反而下降。这可能与Si离子在TiO2中的存在形式有关，SiO2离子除了取代TiO2晶格中的Ti4+形成Si–O–Ti键外，过量的Si离子形成化合物并覆盖在TiO2表面，这在掺Si离子量较高如5 % SiO2–TiO2的XRD图中得到证实。覆盖在TiO2表面的化合物光催化活性较差，且阻碍了TiO2对紫外光的吸收和利用，使TiO2的光催化活性降低。

3.4 显著性论证

试验的自由度f总=试验总数-1=n-1 各因素的自由度f因=因素的水平数-1 FE为试验误差的自由度：fE=f总-f因=0

因素的平均离差平方和=因素离差的平方和/因素的自由度=S因/f因

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http://www.titaniumdioxide.cn/ http://dgsl.xx351.com/ 实验误差的平均离差平方和=试验误差的离差平方和/试验误差的自由度=SE/fE

将各因素的平均离差平方和与误差的平方和相比，得出F值，这个比值的大小反映了个因素对实验结果影响程度的大小。

对因素进行显著性试验，对给出的检验水平α，从F分布表中查出Fα(f因，fE)(通常叫临界值），把F比值与该临界值比较，若F> Fα(f因，fE)说明该因素对实验结果的影响显著，两个数差值越大，说明该因素的显著性越大；若F< Fα(f因，fE),说明该因素对试验结果的影响不显著。

从表3-2中F值的大小可以看出，各因素对实验结果即甲基橙降解率影响大小的顺序为D、A、B、C，即温度D为影响最大的因素，其次为SiO2掺杂比A,pH值B,影响最小的因素为催化剂的用量C.这样确定的最后的最优方案为A2B1C3D2。

第四章 结论

本论文研究用溶胶－凝胶法对TiO2进行SiO2改性，合成出TiO2 - SiO2介孔复合材料，并将其应用于染料废水的处理，同时对合成产物进行了性能研究。通过正交实验方法选出了最优实验条件条件。通过实验得出以下主要结论：

(1)用溶胶－凝胶法制备的SiO2- TiO2介孔复合材料，锐钛矿结构的TiO2粒子均匀地分散于无定形SiO2基质中，TiO2与SiO2基质之间存在着Ti－O－Si键，SiO2的加入提高了复合材料的分散性，减少了TiO2的团聚情况。随着SiO2含量的增加（掺杂比<3%），SiO2- TiO2晶体颗粒变小，结晶度下降，比表面积增大，热稳定性升高，而且由于能带结构的改变，也提高了其对可见光的吸收。

(2)溶胶－凝胶法制备的SiO2- TiO2介孔光催化剂具有较高的光催化活性，在紫外灯下光降解染料废水中的甲基橙效果很明显，其光催化活性要比纯TiO2光催化剂高。焙烧温度为400 ℃、掺杂比为3%、pH值为3、催化用量为2 g/ L时催化剂对甲基橙降解效果最好，降解率可达100.10%，即我们确定的最优方案可达到的降解效果。

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