基于非晶合金的微纳金属氧化物制备及催化性能研究

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光催化降解有机污染物具有绿色节能、高效环保的特点,同时,能将有机污染物完全矿化为无机小分子物质,整个过程中不会产生二次污染,是一种具有广阔应用前景的污染处理方式。目前,如何高效快捷的制备出高性能光催化材料是材料界的研究热点之一。本文以铜基非晶合金为前驱体,通过脱合金法和水热法,制备出具有较强光催化性能的TiO2光催化材料,通过前驱体成分、制备工艺的控制,实现了对TiO2光催化材料的颗粒细化、结构调整、元素掺杂以及复合氧化物改性,使光催化材料的催化性能得到提高。并通过光催化降解罗丹明B(Rh B)溶液和甲基橙(MO)溶液,对材料的光催化性能进行评价。Cu65Ti25Ce10非晶合金在硝酸体系下脱合金,制备得到金红石相TiO2纳米颗粒,相较于Cu70Ti30非晶合金脱合金96h制备TiO2颗粒,Cu65Ti25Ce10非晶合金脱合金制备时间缩短到24 h,同时得到的TiO2颗粒的平均直径由300 nm减小到150 nm,Ce元素的添加使制备的光催化材料粒径得到细化。在紫外光下对浓度为10 mg/L的Rh B溶液的光催化降解反应常数为0.040 min-1,相较于Cu70Ti30非晶合金为前驱体制备的TiO2光催化材料的催化性能有明显提升(0.019 min-1)。Cu70Ti30非晶合金在硝酸体系下脱合金制备金红石相TiO2时,通过在脱合金过程中引入磁搅拌工艺,可以使制备得到的金红石相TiO2颗粒的平均直径细化至40 nm。这是由于磁搅拌工艺的引入可以使TiO2颗粒在形成初期达到一定粒径后从条带表面脱落,防止其在条带表面的进一步长大。制备得到的样品在紫外光下的光催化性能有明显提升。其光催化反应常数(紫外光,10 mg/L Rh B溶液)为0.034 min-1,在60min时,对Rh B的降解率达86.8%。同时在可见光下,加入H2O2与TiO2产生光催化协同效应,光催化材料的催化反应常数(可见光,10 mg/L Rh B溶液)为0.068 min-1,与未使用磁搅拌工艺的TiO2光催化材料相比性能也有明显的提升。Cu70Ti30非晶合金在硝酸体系下脱合金制备TiO2后,通过向干燥后条带滴加Na2S溶液(0.1 M),将条带表面吸附的Cu2+转变为Cu S,负载在TiO2颗粒表面。可以通过Cu S的负载抑制光生电子、空穴的复合,从而提高材料的光催化性能。Cu S负载TiO2光催化材料的催化反应常数(紫外光,10 mg/L MO溶液)为0.010 min-1。Cu70Ti30非晶合金在过硫酸铵溶液中水热反应,可以制备得到含有硫掺杂的锐钛矿相TiO2。其中,硫元素以SO42-的形式掺杂入TiO2的晶格内,向TiO2中引入了大量的缺陷。S掺杂在向禁带中引入掺杂能级减小锐钛矿相TiO2禁带宽度(2.90 e V)的同时,通过缺陷促进光生电子、空穴的分离,有效抑制光生电子、空穴的复合,提高材料的光催化性能。通过后续热处理工艺,可以实现对样品中掺杂的S含量的调控。在紫外光下,得到最优的光催化性能,其催化反应常数(10 mg/L Rh B溶液)可达0.602 min-1。(Cu70Ti30)95Ni5非晶合金条带在过硫酸铵溶液中进行水热反应,可以得到硫掺杂的锐钛矿相TiO2光催化材料。Ni元素的添加可以实现TiO2光催化材料颗粒的有效细化,使光催化材料的催化反应常数(紫外光,20 mg/L Rh B溶液)提高至0.365 min-1(Cu70Ti30非晶合金制备样品催化反应常数为:0.221 min-1)。(Cu70Ti30)95Sn5非晶合金在过硫酸铵溶液中通过水热反应可以制备得到锐钛矿/锡石(TiO2/Sn O2)复合氧化物光催化材料。Sn元素的添加在实现复合氧化物颗粒制备的同时,还可以实现对产物颗粒粒径的细化,得到由平均粒径在100 nm以下的纳米颗粒团聚堆积而成的450 nm左右的微球。TiO2/Sn O2复合氧化物具有最佳的光催化性能,在紫外光照射下,6min可实现对浓度为20 mg/L的Rh B溶液的光催化降解率高达92.3%,其光催化反应常数为0.456 min-1,材料优异的光催化性能是由S元素的掺杂和TiO2/Sn O2复合氧化物共同作用的结果。
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