不同载体对负载TiO2薄膜光催化活性影响的实验研究
摘要：采用溶胶_凝胶工艺在不同载体表面制备了均匀透明的TiO2薄膜。甲基橙水溶液的光催化降解实验表明：不同负载的TiO2薄膜具有不同的光催化活性，钛片的光催化活性最高，然后是陶瓷、不锈钢、铝片、釉面瓷砖、玻璃，铜片最低;而且其光催化活性还与负载的加热温度有关，加热温度为520℃时钛片的光催化活性最高，580℃时陶瓷、釉面瓷砖、不锈钢和玻璃的催化活性最高，而460℃时铝片的光催化活性最高。
关键词：污水处理 光催化 二氧化钛 载体
An Experimental Study of Effects of Different Substrates
on Photocatalytic Activies of Loaded TiO2 Thin Films
Abstract：Uniform and transparent TiO2 thin films on different substrates were made by sol-gel method. The photocatalytic degradation experiment with methyl orange aqueous solution showed：The TiO2 thin film on different substrates had different photocatalytic activities， which was the highest with titanium slice，followed by ceramic，stainless steel，Al slice and glazed ceramic tile，and was the lowest with glass.Moreover，thEir photocatalytic activities were related to the heating temperature of the substrates.The photocatalytic activity with titanium slice was the highest when the heating temperature was 520 ℃，the photocatalytic activities with ceramic，glazed ceramic tile，stainless steel and glass were the highest when the heating temperature was 580℃，while that with Al slice was the highest when the heating temperature was 460℃.
Key words：sewage disposal;photocatalysis,TiO2;substrate
以二氧化钛等半导体为催化剂的光催化技术是近20年来环境 研究 的热点之一[1]，许多研究[2]，表明它可以较好地降解水和空气中的很多污染物，包括有机物和无机物。但是由于传统的粉末光催化剂存在着二次分离和回收等 问题 ，许多研究者把目光转向了固化二氧化钛体系，即把二氧化钛光催化剂固定在一种载体上，制备成一种薄膜。
本文采用溶胶_凝胶法在不同的载体(钛片、玻璃、铝片、陶瓷、釉面瓷砖、不锈钢、铜片)表面制备二氧化钛薄膜，来考察不同载体对负载TiO2薄膜光催化活性的 影响 ，而且对不同载体的加热工艺进行了研究。
1 实验 方法
1.1 二氧化钛薄膜的制备
以钛酸四正丁酯为原料，以三乙醇胺为抑制剂来制备溶胶。具体配制方法如下：取17.0mL钛酸正四丁酯和4.8mL三乙醇胺溶解到67.3 mL无水乙醇中，搅拌2h，然后再加入10mL无水乙醇和1 mL蒸馏水，再搅拌30 min，即得到淡黄色的透明溶胶。
把钛片、铝片、不锈钢、玻璃、釉面瓷砖和陶瓷切割成10mm x 10mm的方形，相继用酸、碱和酒精清洗后凉干。把这6种清洗凉干后的载体分别浸渍在溶胶中，提拉速度为200mm/min，取出后放到100℃的马弗炉中保温30min，然后分别以每分钟5 ℃的速率升温到一定的温度(400℃，460℃，520℃，580℃，640℃，700℃等)，在此温度下再保温1h，即得到不同加热工艺下不同负载的二氧化钛薄膜。
1.2 分析 方法
采用甲基橙作为光催化降解物。甲基橙在0～20 mg/L范围内其质量浓度和吸光度成正比，可以用紫外分光光度法在450nm处，测定光解前后甲基橙的吸光度，然后 计算 甲基橙的脱色率。
1.3 实验过程
光催化实验在自制的循环式光催化处理仪进行。如图1所示。
取300mL质量浓度为6.7 mg/L的甲基橙溶液到反应器，容器的上部放置经过热处理的含有二氧化钛薄膜的不同载体，容器中含有2个小型电动机，使被处理水循环流过载TiO2的片体。水样中插入一个充气的细管，以便充人一定量的空气。300W的紫外灯在距离载体10cm处。每光照20min取一次样，以便分析甲基橙脱色率的变化。
2 结果和分析
关于光催化负载加热工艺对光催化活性的影响，以前也有人研究过，但是所得的结论不很统一，针对这种情况，本文又对不同负载加热工艺对光催化活性的影响进行了研究。图2为光照20min时，TiO2薄膜对甲基橙脱色率的影响。
从图2可以看出，在580℃时，陶瓷、玻璃、釉面瓷砖、不锈钢等二氧化钛负载的光催化活性最好，在460 ℃时，铝片负载的光催化活性最好，而520℃时钛片的光催化活性最好。TiO2晶体的结构以及TiO2粒子的大小与其光催化效率有关。随着加热温度的提高，TiO2会从无定型向锐钛矿型进而向金红石型转变，而且随着温度的升高，粒径逐渐减小。研究表明TiO2光催化剂起光催化作用的是锐钛矿型结构，温度过低，TiO2呈无定型结构，过高呈金红石型，无定型结构和金红石结构都不利于光催化反应;另一方面，温度过低，TiO2的粒径大，也不利于光催化反应，因此TiO2薄膜的加热温度有一个最佳值。另外TiO2薄膜的加热温度还与载体的类型有关，这是由于TiO2薄膜与载体之间的相互作用所致。
图3是光照40 min时铝片、不锈钢、钛片、陶瓷、釉面瓷砖、玻璃和铜片为载体时二氧化钛薄 膜对甲基橙脱色率的影响。其中钛片是在520℃时所得的二氧化钛薄膜负载，而铝片的热处理温度是460℃，不锈钢、釉面瓷砖、陶瓷、玻璃和铜片的热处理温度都是580℃。
从图3看出，甲基橙脱色率最高的是钛片，其次是陶瓷、不锈钢、铝片、釉面瓷砖、玻璃，最差的是铜片。导致这种差别的原因可能有两个：
①载体表面的吸附。由于陶瓷表面比较粗糙，比表面积大，因此陶瓷和TiO2薄膜之间的物理吸附能较大。其它的几种载体表面比较光滑，所以其物理吸附能较小。另外，TiO2薄膜和载体之间可能发生了化学反应，这种反应有利于 电子 和空穴的分离并增加了对反应物的吸附，提高了TiO2的光催化活性，由于载体不同，所以形成的化学键不同，其光催化活性也不同。
②TiO2薄膜与载体之间通过相互扩散形成了一个渐变界面，载体不同，他们的界面也不同，因而其附着性能不同。另外，在TiO2薄膜与载体之间形成的界面处还可能产生了双电层。产生双电层的原因是由于薄膜和基体两种材料的费米能级不同，因而在它们相互接触以后，在它们之间要发生电子转移，在界面两边聚积起符号相反的电荷，异性电荷相互吸引，增强了薄膜对载体的吸附，由于载体不同，其费米能级不同，所以薄膜对载体的附着性能也不同。铜片可能是由于在热处理过程中表面被氧化，所涂覆的二氧化钛随着薄膜脱落掉了，因此其二氧化钛薄膜负载对甲基磴的脱色率几乎没有影响。
3 结论
①不同负载TiO2薄膜的光催化活性不同，钛片的光催化活性最高，其次是陶瓷、不锈钢、铝片、铜片、釉面瓷砖和玻璃。
②不同负载的TiO2薄膜，在不同的加热工艺参数下，具有不同的催化活性，陶瓷、釉面瓷砖、不锈钢、玻璃等负载的TiO2薄膜在580℃时光催化活性最好，钛片在520℃时光催化活性最好，而铝片在460℃时的光催化活性最好。
参考 文献 ：
[1] Hoffmann M R，Martin S T，ChoiWinyong，et al.Environmental application of seroiconductor photocatalysis[J].Chemical Review，1995，95(1)：69—96.
[2] Ollis D F， Al-Ekabi H.Photocatalytic purification and treatment of water and air[C].Elsterdam，1993.
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