纳米二氧化钛/硅藻土复合材料光催化性能实验
关键词：纳米二氧化钛、纳米TIO2、JR05、宣城晶瑞、VK-TG01、光催化二氧化钛
进入新世纪，低碳、节能、环保等问题成为人们的 关注焦点。环境污染随经济的快速发展越来越严重， 人们在力图寻找各种方式方法治理或减轻环境污染。 纳米二氧化钛用作光催化剂具有光催化效率高、无毒性、化学稳定性好等特点，目前已广泛应用于各种废水、废气光催化处理中。由于 TiO2 粒径小，光催化反应后容易流失，所以近年来研究者们对 TiO2 的固定化做了大量工作。矿物材料作为 TiO2 复合光催化 剂的载体已有大量的研究，如蒙脱石 、凹凸棒石 沸石 等作为基体材料。
硅藻土一般是由统称为硅藻的单细胞藻类死亡以后的硅酸盐遗骸形成的，其本质是含水的非晶质 SiO2。硅藻土具有孔隙度大、吸附性强、化学性质稳定、耐磨、耐热等特点，因此常被用于废水、废气处理领域。目前，纳米二氧化钛复合光催化剂的制备常采用溶胶 - 凝胶法、共沉淀法等，
本实验即以纳米二氧化钛和硅藻土为原材料，在水介质的机械研磨体系中，采用机械力活化法制备成负载型 TiO2/ 硅藻土复合光催化材料，进而研究不同光照时间下复合材料对甲基橙溶液的降解，通过测定其光催化降解率评价复合材料的光催化性能。该实验结果对于降低 TiO2 作为光催化剂的使用成本，提高 TiO2 光催化剂的催化效果和应用范围具有重要意义。
1 实验部分
1.1 原材料及仪器 实验原材料及试剂：硅藻土，40~60 目，纳米 TiO2，规格 VK-TG01，TiO2≥ 99.5 %，粒径 10-15 nm，批号：20090305。化学试剂甲基橙，C14H14N3NaO3S，分子 量 327.35，；三乙醇胺， 分析纯，批号：20081006，C6H15NO3，北京化工厂。 主要仪器：GSDM-S 型超细搅拌磨；HXSEI 光化 学反应仪；TGL-16C 离心机；。
1.2 TiO2/ 硅藻土复合光催化剂的制备 实验采用 超细搅拌磨，磨机的操作参数为转速 1000 r/min；磨 介 球 采 用 3 种 直 径，其 比 例 为 Ф3mm∶Ф2mm∶ Ф1mm=5∶3∶2，球料比 3∶1。按硅藻土与纳米 TiO2
不同配比，加入纳米 TiO2 质量分数 1 % 的三乙醇胺作 为分散剂，在超细搅拌磨上混合研磨 80 min，即制得 TiO2/ 硅藻土复合光催化材料 1#、2#、3#、4#、5#、6# 样品 （1#：硅藻土；2#：80 %硅藻土- 20 % TiO2；3#：60 %硅藻 土- 40 % TiO2；4#：40 %硅藻土- 60 % TiO2；5#：20 %硅 藻土 - 80 % TiO2；6#：TiO2）。
1.3 光催化反应实验 以甲基橙作为目标降解物进 行光催化活性测定。取 300 mL 甲基橙溶液（15 mg/L） 和 1 g 复合材料混合后倒入光催化反应仪中；将悬浮 液置于暗处强力磁力搅拌 30 min；待吸附平衡后，用 300 W 高压汞灯照射悬浮液不同时间；取样进行两次 离心（10000 r/min，10 min/ 次），吸取一定量的上清液； 利用分光光度仪测量上清液在 λ=462.5 nm 处的吸光 度；根据光照前后吸光度（或浓度）的变化，按下式计 算甲基橙溶液的降解率。 D=(A0-A)/A0×100%= (C0-C)/C0×100% 其中，D 为降解率，%；A0、A 为起始甲基橙溶液和光 照一定时间后的吸光度，Abs；C0、C 为溶液初始浓度 与光照后的浓度，mg/L。
2 结果与讨论
2.1 TiO2/ 硅藻土复合光催化材料的 XRD 分析 采 用 X 射线衍射仪对 TiO2/ 硅藻土复合光催化材料 1#、 2#、3#、4#、5#、6# 样品进行了表征，可 知，硅 藻 土 的 物 相 为 美 蛋 白 石 （Cacholong），TiO2 的物相为锐钛矿（Anatase）。从硅 藻土的 X- 射线衍射图可看出，在 2θ 为 21.8。、39.1。 等处出现硅藻土的 SiO2 特征衍射峰；而在 TiO2/ 硅藻 土复合材料的样品中，在 2θ 为 25.4。、37.05。、47.8。、 53.2。、57.7。等处出现锐钛矿型 TiO2 特征衍射峰，而且 随着 TiO2 质量分数的增加，TiO2 衍射峰逐渐增强，而 硅藻土衍射峰逐渐减弱，这说明硅藻土的表面大部分 被 TiO2 所覆盖。
2.2 TiO2/ 硅藻土复合光催化材料的 SEM 图 采用 扫描电镜观察了 1#、2#、3#、4#、5# 样品的表面形貌，可看出，硅藻土具有孔道结构，其孔径约 为 150 nm；硅藻土具有良好的吸附性是由其孔道结 构决定的。纳米 TiO2 粒子附 着在硅藻土的表面并填充孔隙，纳米 TiO2 颗粒多以 团聚态存在。
可看出，80 % TiO2 粒子与硅藻 土复合时，由于负载量较大，TiO2 粒子将硅藻土包裹 其中，同时大量的 TiO2 粒子团聚，这与 XRD 衍射图 中硅藻土的 SiO2 特征衍射峰减弱相对应。
2.3 不同光催化剂对甲基橙溶液的光催化效果 TiO2/ 硅藻土复合光催化材料 1#、2#、3#、4#、5#、6# 样品在 300 W 高压汞灯照射 20 min、40 min、60 min、80 min、 100 min 的光催化降解结果.
可以看出，硅藻土对甲基橙基本没有光催 化效果，在 100 min 的光照时间内降解率基本没有； 其它各样品的光催化降解率随光照时间的增加而增 加；而且复合光催化剂的光催化降解率随 TiO2 含量 的增加而增加。5# 样品即 20 % 硅藻土 - 80 % TiO2 的 甲基橙降解率在光照时间为 60 min 时即达到 90 %， 与纯纳米 TiO2 的效果基本相同，因此有望作为纯 TiO2 的替代品用于光催化降解应用中。
结论：
1. 以纳米 TiO2 和硅藻土为原料，采用机械力活 化方法制备了 TiO2/ 硅藻土复合光催化剂。
2. 2. 在各复合材料样品中，随着 TiO2 质量分数的 增加，TiO2 衍射峰逐渐增强，硅藻土衍射峰逐渐减弱， 硅藻土的表面大部分被 TiO2 所覆盖。
3. 3. 硅藻土对甲基橙基本没有光催化效果，复合光 催化剂的光催化降解率随 TiO2 含量的增加而增加， 60 min 后，样品 20 % 硅藻土 - 80 % TiO2 的光催化降 解率和 TiO2 的降解率相同，因此有望作为纯 TiO2 的 替代品用于光催化应用中。
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