Fe及SN共掺杂TiO_2纳米材料的制备及其光催化性能_苏碧桃
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西 北 师 范 大 学 学 报(自然科学版) 第48卷2012年第5期
) VJournalofNorthwestNormalUniversitNaturalScienceol.48 2012 No.5 y(
·本刊特约稿·
Fe及SN共掺杂TiO-2纳米材料的制备
及其光催化性能
3+
苏碧桃,邓 超,费 鹏,张春娥,陈亚丽,钟 明
(西北师范大学化学化学化工学院,生态环境相关高分子材料教育部重点实验室,)甘肃省高分子材料重点实验室,甘肃兰州 730070
3+
摘 要:以硫脲、硝酸铁、钛酸四丁酯分别作S、N、Fe和Ti源,利用sol-e和S-N掺杂的el法制备了一系列Fg3+3+
//、X射线衍射TiOFe/TiO-NTiOe/S-NTiO.利用X射线光电子能谱(XPS)2光催化纳米材料(2、S2、F2)
(、透射电镜(、紫外-可见光谱()等技术进行表征,以亚甲基蓝(的降解为模型反应,评价样XRD)TEM)UV-VisMB)
3+
品的光催化性能.结果表明,Fe、S-N的共掺杂将TiOiO2的光谱响应范围拓宽到可见区,使T2在紫外和太阳光下
、0/、的催化活性得到显著改善,MB溶液在各样品上的催化降解脱色速率常数k0.17(TiO.22(S-NTiO1分别为:2)2)
3+-13+3+3+
(/,共掺杂材料F/和00.32Fe/TiO.42h(Fe/S-NTiOe/S-NTiOe和S-N2)2)2的高催化活性归因于掺入的F
协同作用的结果.
3+
关键词:TiOe-S-N共掺杂;sol-el法;光催化性能;协同作用2;Fg
)中图分类号:O 643 文献标识码:A 文章编号:1001-988Ⅹ(201205-0048-05
3+
PrearationandhotocatalticroertofFeand ppyppy
ScodoedTiOanomaterials-N - p2n
,D,F,Z,CHE,ZSUBitaoENGChaoEIPenHANGChuneN YaliHONG Min - --gg
(,KeLaboratorof Eco-Environment-Related Polmer Materials of Ministrof Educationy y yy
,KeLaboratorof Polmer Materials of Gansu Provincey y y
,N,L,C)Collee of Chemistrand Chemical Enineerinorthwest Normal Universitanzhou 730070,Gansuhina gyggy
3+3+3+
:F(///AbstracteandSdoedTiOanomaterialsFeTiOSTiOndFeSTiOarerearedb -N- -N -N pypp2n2,2a2)
,X,elhotoelectronsolmethodandcharacterizedbXrasectroscoXPS)radiffraction(XRD)-g - -yypppy(y
,a)transmissionelectronmicroscoTEM)ndUV-visible(UV-Vistechniues.Thederadationofde py(qgy
(methlblueMB)isusedasthemodelreactiontoinvestiatethehotocatalticroertoftheasreared -pygpyppyp
3+
samles.TheresultsshowthatcodoinFeandN-SintoTiOnducetheredshiftofitsabsortion - - ppgp2i
edetothevisiblelihtreionanditshotocatalticroertisremarkablenhancedunderbothUVand - ggpyppyyg
(,0(/,sunlihtsandtherateconstantskfthederadationofMBsolutionare0.17TiO.22STiO -Ngg1o2)2)
3+-13+
(/(//,0.32FeTiOand0.42hFeSTiOresectivel.Theenhancedofhotocatalticroert -N pypyppy2)2)
收稿日期:2012-07-30
);教育部“)基金项目:国家自然科学基金资助项目(长江学者和创新团队发展计划”创新团队项目(21174114IRT1177,女,甘肃临洮人,教授,博士,博士研究生导师.主要研究方向为微/纳米半导体材料与作者简介:苏碧桃(1962—)
:s光催化.E-mailubt0608@gmail.com
012年第5期 2012 No.5 2e及SiO 苏碧桃等:F-N共掺杂T2纳米材料的制备及其光催化性能
3+
PrearationandhotocatalticroertofFeandScodoedTiOanomaterials -N - ppyppyp2n
3+
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3+3+
//thesamleFeSTiOsasneristiceffectofdoedFeShichbrinsaboutanenhanced -N --N,w pygpg2i
hotoeneratedtransferandsearationofcharecarriers. pgpg
3+
:T;s;p;sKewordsiOeScodoedolelhotocatalticroertneristiceffect--N --g pyppyyg2;Fy iO 当前,以T2为光催化剂的非均相光催化氧
化有机物技术越来越受到人们的关注,特别在环境污染物处理方面.但是,由于TiO2的带隙较宽(,只能吸收波长小于33.2eV)87nm的、仅占太阳光谱中小于5%的紫外光,而不能充分利用太阳能,能耗高;另外,由于光生电子-空穴的复合,导致TiO2光量子效率降低.因此,众多研究者通过多种途径进行TiO2的改性.手段主要有贵金属修饰、半导体复合、聚合物修饰以及元素掺杂等.对于元素掺杂早期主要集中在金属离子的掺
[]1,2]
,自A杂[sahi等3发现氮掺杂能减小TiO2禁带宽度,提高其在可见光区的光学活性以来,非金]35-
属掺杂[迅速成为研究的热点.近期研究结果表]68-
,N与F、L明[ea和Ta等金属-非金属二组分的共掺杂可产生协同作用,进一步提高了TiO2光
于乙醇/盐酸溶液得溶液B;在搅拌条件下,将B逐滴加入到A中形成透明溶胶;在空气中放置、陈化数日得湿凝胶.将湿凝胶于80℃下干燥数小时得干凝胶,研磨,于空气气氛、一定温度(300~
3+
、S和N共掺杂下热处理2h,即得F500℃)e3+
//TiO0.50%Fe37.5%S-N2光催化纳米材料(
,以考察热处理温度对材料性能等的影响.TiO2)
在最佳热处理温度下,利用该法制得TiO2、
3+
//以上含量0.50%FeTiO7.5%STiO-N2、32(
的纳米材料,研均以原料的原始加入量计算而得)
3+3+
、S究FeeSiO-N以及F--N共掺杂对T2性能
等的影响.
1.3 光催化性能的测试
·加40m0mL10mL-1MB溶液 g样品于4g
中,分别在250W高压汞灯和太阳光下进行光催化降解脱色,每隔一定时间取样3mL,并立即离心分离去除催化剂,在664nm(MB的最大吸收波处测上层清液的吸光度值A长)B溶液降解t,以M
//或-l对t作图表征脱色过程-ln(ccn(AA0)t0)t样品的光催化活性.其中A0和c0为染料溶液的初
始吸光度和浓度,At和ct为反应时间t时染料溶液的吸光度和浓度,由于染料溶液浓度很稀,所以//ccA0.t0=At
响应范围和光催化活性,然而对于更多组分共掺杂的研究则鲜见报道.
3+
文中利用溶胶-凝胶法,制备了F和S、Ne
三组分共掺杂TiO2光催化纳米材料,研究了
3+3+、SFeeSiO-N及F--N掺杂对T2催化性能的影
3+
响以及FeSEM、--N共掺杂时的协同作用,用T
XRD、XPS和UV-Vis等技术进行样品尺寸、结构、组成以及吸光性能等的表征,以亚甲基蓝为目标降解物进行其光催化性能的研究.
2 结果与讨论
2.1 样品的表征
2.1.1 XPS分析 图1为400℃下所得样品在
3+
//()、S()0.50%Fe37.5%STiO1sa2b-N p2中N()和F的Xe2cPS谱.N1s谱图中,397.2eV处 p
[]911
的对称峰表明掺入的N以N-Ti-O形式存在-,400.2eV处的峰表明在TiO2的表面有化学吸附1214-N.S268.5eV处的峰表明S以 p谱图中,126+4+[15]
,在1取代了TSiOi62eV附近 2中的部分T[
]
1 实验部分
1.1 主要试剂及仪器
(·、硫脲(、硝酸铁(FeNO9H2O)CH4NS)3)32)、钛酸四丁酯([、盐酸(HClTiO(CH2)CH3]34)、亚甲基蓝(无水乙醇(等均为分析CH)MB)2H5O纯试剂;水为二次蒸馏水.
(美国物PHI5702型多功能电子能谱仪(XPS)
;D/理电子公司)MAX3C型X射线衍射仪-((;日本RXRD)iaku公司)JEM-100SX型电子透g(;UV射显微镜(日本电子公司)TEM)2550型紫-)(外-可见光谱仪(日本SUV-Vishimadzu公司).1.2 样品的制备
将5mL钛酸四丁酯溶于20mL无水乙醇形成淡黄色透明溶液A;将一定量的硝酸铁、硫脲溶解
的峰表明有极少量的S以O-TiS状态存在.Fe2- p谱图中,723.1eV和710.1eV处的峰分别对应于
//Fe2e2iO pp32和F12的电子结合能,表明T2晶体
3+16]3+
/中铁为F状态[e.另外,样品0.50%Fe
/37.5%STiOPS元素分析结果为:N含量-N2的X
约为1.50%,S含量约为0.44%,即只有少量的
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西 北 师 范 大 学 学 报(自然科学版)
) JournalofNorthwestNormalUniversitNaturalScience y(第48卷
Vol.48
3+
//图1 样品FeSTiOPS谱-N2的X
3+
()()()//Fi1XPSsectraofN1saandS2bandFe2cofFeSTiO 2 -Ngppp2
报道一N、S掺入到TiO14]2中,该结果与文献[致.
2.1.2 XRD分析 图2为在不同温度(300,400,
3+
//下处理所得0500℃).50%Fe37.5%STiO-N2的XRD谱.对照JCPDS卡可知,所有样品中的尤其温度TiO2均为锐钛矿结构;随着温度的升高(
,衍射峰强度逐渐增加、半峰宽逐高于400℃时)渐减小,该结果表明随着热处理温度的增加样品的晶化程度增加、尺寸增大.在XRD图中没有观察
3+
到T化合物的特iOe2衍射峰的明显位移和任何F3+4+
(和T征峰出现,这可能是由于Fe69.0pm)i
3+
(具有相近的离子半径,F通过取代部74.5pm)e4+分TiiOe 而均匀分散于T2晶格中,没有F2O3等
笔者认为还有作为非金属源的有机物在氧气氛和足够高的温度条件下燃烧所产生的气体冲散样品,从而有效阻止了样品粒子长大的作用.
EM分析 图3为400℃下所得2.1.3 样品的T
3+
//样品FeSTiOEM.从图3可以看到,-N2的T
所得样品分散性好,且为纳米级颗粒,粒径在10nm左右
.
相的偏析,或者其含量低,而未能检测出来;掺入的N、S可能多以表面态存在,从而不会引起TiOcherrer公式计算出样2晶格的明显变化.由S
、9、品的尺寸分别为9.1(300℃).3(400℃),该结果表明由上述方法制备的12.5nm(500℃)
样品为纳米尺寸材料,且随温度升高其尺寸增大的
14]
将其归于掺入的非金属多幅度较小.有研究者[
3+
//图3 样品FeSTiOEM照片-N2的T
3+
//Fi3TEMofthesamleFeSTiOhotorah -Ngppgp2
)、2.1.4is分析 图4为样品TiOa 样品的UV-V2(
3+3+
/、S/)//以及FFeTiOb)TiOceSTiO-N-N2(2(2
()的紫外可见光谱.可以看出,掺杂后TdiO2的吸收带边均发生了不同程度的红移,其红移程度按
3+3+////FeTiOSTiOeSTiO-N-N2、2、F2的顺序递
处于TiO2的表面,从而抑制了材料尺寸的长大
.
增.一般认为,吸收带边红移程度越大,表明样品
3+
/的带隙能越小.由图4插图可得TiOe2、F3+
///TiOSTiOeSTiO-N-N2、2和F2的带隙能依次
为3.15,2.82,2.07和1.90eV,即非金属元素
3+
的掺杂能够引起T和iOe2带隙能的显著减小,F
SiO-N的共掺杂使T2带隙能进一步减小.观察所有样品的吸收带边无肩峰存在,说明在TiO2的带
图2 不同温度下所得样品的XRD谱atternsFi2XRDofthesamlesobtained pgp
underdifferenttemeratures p
、N间无杂质能级存在,或者说掺入的Fe3d2 p和S3iOi3d和O2 p分别与Tp形成了混合态2中的T
[14,17]
、N而不是孤立的Fe3d23. p和Sp态
012年第5期 2012 No.5 2e及SiO 苏碧桃等:F-N共掺杂T2纳米材料的制备及其光催化性能
3+
PrearationandhotocatalticroertofFeandScodoedTiOanomaterials -N - ppyppyp2n
3+
51
2.2 样品的光催化性能
考察了热处理温度对样品光催化性能的影响.图5为300、400和500℃下处理2h所得样品
3+
//FeSTiOB溶液的-N2在紫外光下催化降解M(/-lncct结果.从图可以看出热处理温度对~t0)
3+//FeSTiO-N2的光催化活性有较大影响,其催化活性随温度的升高呈先升后降的变化趋势,在
的反应;热处理温度太高时,非金属元素源会因高温氧化而逸出,因此适当的热处理温度是保证非金
14]
属元素有效掺杂和样品高催化性能的关键之一[.
此外,热处理温度影响材料的结晶性能和尺寸.一般而言,材料的结晶度、尺寸都随温度的升高而增加;粒径增大,比表面积减小,光催化活性随之降低;材料适当的结晶度有利于催化性能的充分体
3+3+
、S现.因此,在400℃下考察Fee-N以及F-
400℃左右时其光催化性能最好;MB溶液在样品
表面的催化降解脱色基本服从一级动力学行为,其
-1
速率常数k.21,0.42,0.30h.可以看1分别为0
SiO-N共掺杂对T2光催化性能的影响.
、S/、图6给出了样品TiOa)TiOb)-N2(2(
3+3+
/)//)和F在紫外光下光FeTiOceSTiOd-N2(2(3+
、S催化降解MB溶液的结果.可以看出,Fe-N3+
以及FeSiO--N掺杂均能不同程度的改善T2的光催化性能,MB溶液在各样品上的降解服从一级
出,400℃下所得样品的光催化活性是300℃下的2倍
.
动力学行为.由MB溶液在各样品上的降解速率常、0/、0数k.17(TiO.22(STiO.32-N1=02)2)
3+-13+(/、0(//可知,FeTiO.42hFeSTiO-N2)2)金属离子掺杂的效果较非金属掺杂的明显,金属离子-非金属共掺杂的效果优于“单一”金属或非金属掺杂.共掺杂样品在太阳光下也显示出与紫外光
3+
)、F/)、图4 样品TiOaeTiOb2(2(
条件下相似的光催化活性,如MB溶液的降解速率
-1
常数为0.41h.
/)/)和F的STiOce/STiOd-N-N2(2(
3+
紫外可见光谱
),Fi4UV-VissectraofthesamlesTiOa gpp2(
3+
/),S/)FeTiObTiOc-N2(2(3+
//)andFeSTiOd
-N2(
3+
//图6 样品TiOSTiOeTiO-N2、2、F2
3+
//和FeSTiO-N2的光催化性能
Fi6PhotocatalticactivitiesofthesamlesTiO gyp2,
3+3+
////STiOeTiOndFeSTiO-N -N2,F2a2
/图5 热处理温度对样品Fe/STiO-N2
3+
Wu等
[1]
3+
利用荧光(技术证明了F的掺PL)e
光催化性能的影响
hotocatalticFi5Effectoftreatedtemeratureonthe pygp
3+
//activitofthesamleFeSTiO -Nyp2
3+
入对T的iOe2的荧光强度有显著减弱现象,即F
掺入能够使光生电荷快速转移而分离,从而提高
3+4+
与TTiOei 相近的离子2的光催化活性.由于F
热处理温度过低、过高均不利于非金属元素的有效掺杂.太低难以将其有效地引入到TiO2中,而是大量堆积在TiOiO2表面,它们将自然占据T2的表面活性位而影响反应物分子的吸附以及进一步
半径使其容易进入到TiO2的晶格中取代部分
4+
Ti ,从而产生氧空位,该氧空位能够使光生电荷2]快速转移而有效分离[.另外,在受光激发时,3+5样品中F的3电子跃迁到TediO2导带,在产生
52
西 北 师 范 大 学 学 报(自然科学版)
) JournalofNorthwestNormalUniversitNaturalScience y(第48卷
Vol.48
3+4+
更多光生电荷的同时发生了F转变,高ee→F4+
氧化介质中OH-形成活性物种活性的Fe
[1]·,同时也将MB分子直接氧化.SOH-N掺杂
[]J.Science,2001,293:269271.oxides-
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能够使TiO2的禁带宽度显著减小,光响应范围显著拓宽.样品的XPS和XRD结果证明,掺入的N
6+和S主要以N-Ti-O、S-O形式存在于样品的表面.掺入的N不仅在TiO2的价带附近形成一内置
能级拓宽其光吸收范围,而且使TiO2的平带电位更正,增加了电子转移的驱动力,提高了光生电荷的分离效率
.在TiOO位上存在的2表面的S-
过剩正电荷同样加速了电子的转移和分离.因此,
6+
[14]
3+
、SFe-N共同掺杂样品在紫外和太阳光下高的催
3+
、N、S协同作用的结化活性应该是掺入的Fe
果.
3 结论
3+
)用溶胶-凝胶法制备了一系列T/1iOe2、F
//TiOSTiOe/STiO-N-N2、2、F2光催化纳米材料;在300~500℃范围内,样品中的TiO2均为
3+
、S锐钛矿结构,FeiO-N共掺杂使T2的光吸收
3+
进入到可见区.
)光催化结果表明,在400℃下所得样品催2
3+
、S化性能最好,Fe-N的共掺杂能够显著改善TiO2在紫外和太阳光下的光催化性能.3+
)掺入的F和S3eiO-N通过拓宽T2的光吸收范围,加速光生电荷的转移和分离,提高了TiO2的
3+
//光催化性能,即共掺杂样品FeSTiO-N2的高催
化性能是Fe、S-N协同作用的结果.
总之,利用金属与非金属多种组分的共掺杂有
3+
望制备出高催化性能的T尤其在太iO2催化材料(,并将其应用于染料污水等的净化处阳光条件下)理方面.
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(上接第52页)
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(责任编辑 陆泉芳)
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