掺铁二氧化钛的制备及其对罗丹明B的降解(环境工程本科毕业论文).doc

heb大学毕业设计（论文）掺铁二氧化钛的制备及其对罗丹明b的降解学 生 姓 名 pp 指 导 教 师 cp 专 业 环境工程 学 院 spgc 2011年06月01日graduation project (thesis)harbin university of commercethe preparation of iron-doped tio2 and the degradation of rhodamine bstudent supervisor specialty environment engineering school 2011-06-01毕业设计（论文）任务书姓名： pp学院： spgc班级： 2007级2班专业： 环境工程毕业设计（论文）题目：掺铁二氧化钛制备及其对罗丹明b的降解立题目的和意义：tio2 由于具有化学性质稳定、安全无毒、使用寿命长、可直接利用太阳能等优点，在光电转换、光化学合成、光致变色以及光催化氧化环境污染等方面具有广阔的应用前景。溶胶凝胶法因为操作简单，合成的tio2纯度高且粒度小而受到青睐。但纯tio2纳米晶的光响应范围发生蓝移，对可见光利用率更低。要使tio2纳米晶在可见光条件下表现出光催化活性，金属离子掺杂是提高tio2光催化效率的有效手段。通过掺杂改性的tio2能有效抑制光生电子空穴的复合，能在晶格中引入缺陷或改变结晶度并扩展tio2的光谱响应范围，提高光催化效率。本实验采用溶胶-凝胶法制备了铁掺杂二氧化钛粉体材料，以罗丹明b为目标降解物研究了其光催化性能。技术要求与工作计划：要求：1.会用溶胶-凝胶法配制fe/tio2催化剂。2.重点考察铁的掺杂量对催化效率的影响。3.考察催化剂用量、通氧速率、光照强度的影响。计划：第一阶段：配制fe/tio2催化剂。第二阶段：各种因素对催化效率的影响实验。时间安排：2011-03-22至2011-03-28 查阅并整理二氧化钛的相关资料，撰写实验方案；2011-03-28至2011-03-29 准备实验仪器，配制相关溶液，试剂；2011-03-29至2011-04-25 溶胶凝胶法制备铁掺杂二氧化钛；2011-04-26至2011-05-15 影响fe/ tio2光催化特性的各种因素的研究；2011-05-16至2011-05-31 整理实验数据，撰写、修改毕业论文。指导教师要求：(1)论文的内容及工作量达到哈商大对本科毕业论文的要求，资料阅读充分，方案设计合理，时间安排得当；(2) 实验过程中要明确实验的根本目的和基本方法，将所学专业知识融入到整个实验过程当中，并得以巩固和提高；(3) 根据实验计划和实验安排，认真完成每一阶段的实验任务，做到有困难努力解决，有问题及时反馈，切勿耽误实验进程，影响实验质量；(4) 每月向老师做一次实验总结，包括已完成内容、下一步试验计划及所遇到的问题，培养独立思考问题和解决问题的能力。（签字） 年 月 日教研室主任意见：（签字） 年 月 日院长意见：（签字） 年 月 日毕业设计（论文）审阅评语一、指导教师评语：指导教师签字：年 月 日毕业设计（论文）审阅评语二、评阅人评语：评阅人签字：年 月 日毕业设计（论文）答辩评语三、答辩委员会评语：四、毕业设计（论文）成绩：专业答辩组负责人签字： 年 月 日 五、答辩委员会主任单位： （签章） 答辩委员会主任职称： 答辩委员会主任签字： 年 月 日heb大学毕业设计（论文）摘 要对改性tio2的制备方法进行了研究。以钛酸丁酯为前躯物，采用溶胶凝胶法制备纳米tio2光催化材料。对罗丹明b溶液进行光催化降解，寻求光催化降解罗丹明b溶液条件。 实验结果表明：fe-tio2光催化材料的最优制备条件为前驱体配比（摩尔比）为n=ti(oc4h9)4: c2h5oh: hno3: h2o=1: 15:0.01:1，掺铁量w (fe3+/tio2)=0.6%，锻烧温度为450，锻烧时间为2h。在此基础上，选择273nm波长的紫外灯对罗丹明b溶液催化进行催化降解实验，实验结果表明：紫外光下，ph=4最佳条件下fe-tio2处理罗丹明b溶液的脱色率达到90.2%。研究表明，通过掺杂铁离子对二氧化钛进行的改性使反应的响应光谱向可见光拓展，并有效抑制电子空穴对的复合，很大程度提高了光催化反应效率。关键词：二氧化钛 光催化 掺铁 制备 iiabstractin this paper the preparation methods of modified tio2 was studied. it is suggested that sol-gel method using ti(oc4h9)4, is the best method for preparation of tio2 photocatalytic materials. rhodamine b solution to seek photocatalytic degradation, photocatalytic degradation rhodamine b solution conditionsthe optimal reaction condition was gotten after experiments and analysis：n=ti(oc4h9)4:c2h5oh:hno3:h2o=1:15:0.01:1(mol ratio)，w(fe3+/tio2)=0.6%(mol ratio)，calcinations at 450 for 2 hourson this basis using ultraviolet germicidal lamp with wavelength of 273nm as liaht-source, the contaminants removal effect in rhodamine bexperimental results show that: under uv irradiation, ph=4 best conditions fe-tio2 processing rhodamine b determined.the decolored rate reached the solution as high as 90.2 % the experiment results showed that photocatalytic activity was improved by sol-gel method by doping of fe3+ and the photocatalytic efficiency were also raised obviously. the addition of appropriate amount of fe3+ is effective for improving the photo-catalytic activities of tio2 by inhibiting the formation of recombination centers of photo-generated electron-hole pairs on the surface of tio2 particleskeywords：tio2 photocatalytic iron-doped preparing heb大学毕业设计（论文）目录摘 要iabstractii1 绪 论11.1 引言11.2 纳米tio2光催化机理11.3 纳米tio2的改性方法21.4 纳米tio2的发展概况31.5 纳米tio2光催化氧化技术的研究现状及应用前景41.6 本课题研究的目的和意义52 纯tio2和掺铁tio2的制备72.1 实验原理72.2 主要实验设备和药品72.3 二氧化钛和掺铁二氧化钛的制备过程82.4 正交实验确定制备tio2各药品配比82.5 正交实验确定制备fe-tio2最佳条件102.6 fe- tio2光催化剂制备条件的影响122.6.1 锻烧温度的影响122.6.2 锻烧时间的影响132.6.3 掺铁量w(fe3+/ tio2)的影响142.7 小结153 光催化实验及其影响因素163.1 光催化机理163.2 光催化降解实验173.2.1 实验方法173.2.2 分析方法183.3 处理溶液ph的影响193.4 光催化时间影响203.5 小结21结 论22参考文献23致 谢251 绪 论1.1 引言二氧化钛，化学式为tio2，俗称钛白粉，英文：titanium (iv) oxide。多用于光触媒、化妆品，能靠紫外线消毒及杀菌，白色固体或粉末状的两性氧化物，易结合在一起。分子量79.87，市场销售的纯度为99.0%。二氧化钛的熔点18301850 ，沸点25003000。自然界存在的二氧化钛有三种变体：金红石为四方晶体；锐钛矿为四方晶体；板钛矿为正交晶体。二氧化钛在水中的溶解度很小，但可溶于酸，也可溶于碱。二氧化钛可由金红石用酸分解提取，或由四氯化钛分解得到。二氧化钛性质稳定，大量用作油漆中的白色颜料，它具有良好的遮盖能力，和铅白相似，但不像铅白会变黑；它又具有锌白一样的持久性。二氧化钛还用作搪瓷的消光剂，可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。1.2 纳米tio2光催化机理实验证明：二氧化钛晶体有三种结构：锐钛矿型、金红石型、板钛矿型，其中锐钛矿型tio2具有较好光催化作用，属n型半导体。n型半导体吸收了能量大于或等于禁带宽度的光子后，价带上电子跃过价带进入导带。价带上则形成光致空穴。对于锐钛矿型tio2，其带隙能为3.2 ev，相当于387 nm光。tio2 + hv h+ + e- (1.1)e- 导带上的光致电子h+ 代表tio2光致空穴h+具有很强的捕获电子能力，具有极强的氧化性；e-具有很强的还原性，在半导体表面形成很强的氧化还原体系，在水溶液中时产生以下反应1：h+ + h2o h+ + oh (1.2)o2 + 2e- + 2h+ h2o2 (1.3)h2o2 +o2- oh + oh- + o2 (1.4)h+ + oh- oh (1.5)oh不稳定，具有很高活性，氧化能力比h2o2，o3强，能氧化难降解有机物，将有机物的c、h、s分别氧化成co2、h2o、so42-。1.3 纳米tio2的改性方法tio2催化剂由于禁带较宽2（e=3.2ev），只能被波长小于或等于387nm的近紫外部分所激发，这部分光只占太阳光的一小部分（仅为4%），不能充分利用太阳光。另外，光生载流子（e-、h+）容易复合，在催化剂的表面的复合是在小于109秒的时间内完成。因此，如何减少光生载流子（e-、h+）的复合几率、扩展tio2催化剂的光响应范围至可见光区，提高对太阳能的利用效率的有效途径是对tio2催化剂表面进行修饰。如金属离子掺杂、贵金属的沉积、复合半导体、表面敏化等。（1）金属离子 过渡金氧化物掺杂可以在tio2晶格中引入了缺陷位置或改变结晶度，抑制电子空穴对的复合，延长载流子的寿命。过渡金属的变价以及3d轨道对tio2半导体的光电化学性质有很大的影响，同时某些金属离子的掺杂还可以扩展光吸收范围，所以过渡金属离子的掺杂改性是提高光催化活性的一个有效方法。大量的研究表明：掺入过渡金属离子可改善tio2的光催化性能。稀土因为其特殊的电子层结构，具有一般元素无法比拟的光谱特性，具有未充满的4f壳层的稀土原子或离子形成的化合物的4f电子可以在f-f组态之间或f-d组态之间的发生跃迁。（2）沉积贵金属3-4 在二氧化钛中引入贵金属粒子可以对半导体进行改性。因为贵金属沉积在催化剂表面时，光激发产生的电子e-立即转移到贵金属上，随后将贵金属表面吸附的氧化组分如o2还原，还原组分则被表面的光生空穴h+氧化，从而有效的减少了光生载流（e-、h+）复合，提高光催化活性。常见的贵金属有pt、pd、au、ag、ru等。已有多种方法对沉积了贵金属的半导体进行表征，并探讨了沉积的作用机理。（3）复合半导体 复合半导体是由两种不同的半导体复合而成，由于半导体禁带宽不同，复合半导体可以扩展波长的响应范围，提高电荷的分离能力，从而具有比单一半导体更加优越的性质。将窄禁带的半导体cds引入到宽禁带的半导体tio2中构成复合半导体，使tio2光催化剂的光谱响应获得了显著改善。将zno与tio2复合，尽管zno和tio2有同等的禁带宽度，但因复合半导体的能带交迭而使其光谱响应也得到了显著改善。较为常用的复合方法为浸渍法和混合溶胶法。（4）表面光敏化 光敏化是指将具有光活性化合物（多为有机光敏材料）以物理或化学吸附于半导体表面，这些物质在可见光的照射下，电子被激发后注入到半导体的导带上。从而加宽了tio2的吸收波长，有效扩展了tio2在可见光区的光谱响应。ozer等研究过过羟丙基纤维素（hpc）和镍钛菁（nipc）共饰的电极光谱响应，发现其光电流作用谱图不同于单纯的tio2和nipc的吸收光谱，在550nm处出现一个极大的响应峰。1.4 纳米tio2的发展概况自从1997年frank s.n.等5在光催化降解水中污染物方面做了开拓性的工作并提出将半导体微粒的悬浮体系应用于处理工业污水以来，光催化研究日益活跃。二十几年来，人们对光催化机理研究做了大量探讨，弄清楚了半导体光催化剂的作用原理，在材料选择及制备方面也经历了由盲目性到目标明确、由简单到复杂、由单一到复合的过程。frank s.n.等提出将半导体微粒的悬浮体系应用于处理工业污水以后，二氧化钛光催化研究大体经历了如下几个阶段：首先是1997年frank s.n.与其合作者等选定了利用tio2、sno2、wo3、zro2、zno、cds等单一半导体化合物做光催化剂，发现这些半导体微粒在紫外波段具有一定的光催化特性。而二氧化钛因其稳定性好、成本低、光催化活性强、对人体无害等性质而最具应用前景。于是科技工作者围绕二氧化钛的光催化特性研究展开了大量的实验。但具有光催化特性的n-tio2是一种禁带宽度为3.2 ev的宽禁带半导体，其光催化特性仅限于紫外波段，而太阳光主要分布在0.252.5 m范围内，在这个波段紫外光仅占2 %左右，因而二氧化钛直接利用太阳光进行光催化分解的效率较低。其二是将二氧化钛与其它半导体化合物复合，形成复合型半导体，以改变其光谱响应。vogel r等将窄禁带的半导体cds引入宽禁带半导体二氧化钛形成复合半导体光催化剂。由于两种半导体的导带、价带、禁带宽度不一致而发生交迭，从而提高晶体的电荷分离率，扩展二氧化钛的光谱响应。二氧化钛禁带宽度相等的半导体zno（e=3.2 ev）引入与二氧化钛复合。因复合半导体的能带交迭而使其光谱响应得到显著改善。对tio2/al2o3，tio2/sio2，tio2/sno2，tio2/wo3等的复合做了系统研究。这种二氧化钛的复合半导体的光谱响应范围可扩展至可见光波段，催化活性更高。其三是掺杂金属改性。利用杂质离子来改变半导体中电子和空穴的浓度。在光照作用下，因掺杂引起的电子跃迁的能量要小于禁带宽度eg，而且掺杂电子浓度较大故其光谱响应向可见光方向移动。cho等系统的研究了过渡金属掺杂二氧化钛的光催化特性，并对其掺杂改性机理做了探讨，认为光化波段扩展主要归因于杂质在能级结构中形成的亚能级，亚能级的形成使得光激发需要的能量小于eg，从而引起吸收边的红移。利用重金属沉积法在二氧化钛表面沉积pt、au、ru、pd等重金属，可以大大提高二氧化钛的光催化活性。岳林海等利用稀土元素在二氧化钛中进行掺杂改性，也取得了一些结果，但其光催化反应须在高压汞灯下进行不符合节能原则。另外，在复合半导体光催化剂或杂质改性二氧化钛光催化剂中再担载一些重金属将对二氧化钛的光催化产生进一步的影响，目前担载的贵金属主要有pt，ru等。其四是利用有机染料对二氧化钛改性。基于光活性染料吸附于光催化剂表面的性质，在二氧化钛中加入一定量的光敏染料，以扩大其激发波长范围，增强光催化反应效率。在光催化反应过程中，一方面这些有机染料在可见光下有较大的激发因子，另一方面染料分子可以提供电子给宽禁带的二氧化钛从而扩大激发波长范围，改善光催化反应效应。常用的有机染料敏化剂有硫堇、曙红、叶绿素、ru32+(byp)、赤藓红b等。另外uchihana等认为表面衍生及表面鳌合作用能影响半导体的能带位置，对半导体的光催化活性影响很大；沈伟韧等认为量子化的tio2粒子也对其光催化作用产生影响，纳米级的tio2粒子颗粒越小，表面积越大，越利于光催化反应在表面进行，反应速率和效率越高。目前，国外在直接利用太阳光进行光催化方面，取得了较大进步，国内陈士夫等也进行了这方面的研究，但国内大多研究者仍然采用强紫外光灯具或高压汞灯做光催化源，能量消耗大，灯具对人体的刺激损伤亦很大随着人类社会的发展和进步，环境污染问题和能源问题己成为困扰人类的两大难题。综合考虑能源问题和环境污染问题，将是光催化研究的发展趋势，直接利用太阳光能替代紫外灯和高压汞灯，通过改性掺杂，使tio2在整个太阳光波段有很好的光谱响应和强的光催化活性，将是科学工作者研究的新方向。1.5 纳米tio2光催化氧化技术的研究现状及应用前景纳米tio2光催化降解反应可用于环境治理的许多方面。目前，国内外已有很多关于光催化氧化方面研究的报告。环境治理方面的研究，主要集中在6个方面。（1）降解空气中的有害有机物6近年来，随着室内装潢涂料油漆用量的增加，室内空气污染越来越受到人们的重视。对室内主要的气体污染物甲醛、甲苯等的研究结果表明，光催化剂可以很好地降解这些物质，其中纳米tio2的降解效果最好，几乎达到100%。用tio2制成的环境净化涂料对空气nox净化效果良好，降解率高，在太阳光下，达到97%。其降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、水、氮气和有机酸。纳米tio2的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空气质量，近来许多研究结果也都显示tio2光催化净化，在消除室内外大气、工厂中污染物方面有着潜在的应用前景。（2）降解有机磷农药20世纪70年代发展起来的有机磷农药品种占我国农药产量的80%，它的生产和使用会造成大量有毒废水，使用纳米tio2来催化降解，可以使这一环保难题得到根本解决。阿特拉津是目前应用最为广泛的化学除草剂之一，生产或使用不当会造成当地地表水和地下水中阿特拉津的残留。当水体中阿特拉津浓度达到0.110-6时，会对引水灌溉的稻田产生毁灭性伤害。阿特拉津不易在水体中挥发，用碱或无机酸降解需要高温条件并会改变废水ph值。天津化工研究设计院、天津大学化工系霍爱群、谭欣等用纳米tio2膜光催化成功地降解了废水中的阿特拉津。利用纳米tio2（锐钛型）膜、250 w高压汞灯（2只）照射含阿特拉津30 mg/l的水溶液10 h，在有溶解氧的条件下，其降解率达98%。（3）用纳米tio2催化降解技术治理毛纺印染废水7用纳米tio2处理纺印染废水，具有省资、高效、节能，最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点，显示出良好的应用前景。染料对水质的污染已引起了各国的高度重视。大连理工大学化工学院环境科学与工程系的孙平等对16种水溶性偶氮染料进行光催化降解的研究表明，在悬浮状态tio2（锐钛矿型）为催化剂、浓度为2 g/l、有溶解氧的条件下，水溶性偶氮染料易发生光催化降解反应，各种染料的光催化降解均为一级动力学方程。（4）处理石油污染在石油开采运输和使用过程中，有相当数量的石油类物质废弃在地面、江湖和海洋水面，用纳米tio2可以降解石油，有效解决海洋的石油污染问题。（5）治理城市生活垃圾用纳米tio2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大颗粒tio2的10倍以上，从而解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。（6）纳米tio2的光催化抗菌作用东京大学的藤岛昭教授等8人的实验证明，纳米tio2具有分解病原菌和毒素的作用。在玻璃上涂一薄层tio2，光照射3 h达到了杀死大肠杆菌的效果，毒素的含量控制在5%以下。而一般抗菌剂只有杀菌作用，但不能分解毒素。其他相关实验也表明，纳米tio2（锐钛矿型）对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、芽杆菌和曲霉等具有很强的杀菌能力。利用纳米tio2的光催化性能不仅能杀死环境中的细菌，而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。在医院的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米tio2光催化剂还具有除臭作用。1.6 本课题研究的目的和意义tio2由于具有化学性质稳定、安全无毒、使用寿命长、可直接利用太阳能等优点，在光电转换、光化学合成、光致变色以及光催化氧化环境污染等方面具有广阔的应用前景。溶胶凝胶法因为操作简单，合成的tio2纯度高且粒度小而受到青睐。但纯tio2 纳米晶的光响应范围发生蓝移，对可见光利用率更低。要使tio2纳米晶在可见光条件下表现出光催化活性，金属离子掺杂是提高tio2光催化效率的有效手段。通过掺杂改性的tio2能有效抑制光生电子空穴的复合，能在晶格中引入缺陷或改变结晶度并扩展tio2的光谱响应范围，提高光催化效率。2 纯tio2和掺铁tio2的制备2.1 实验原理以ti(oc4h9)4（简写为ti(obu)4）为原料制备tio2纳米微粒时，ti(obu)4在h+催化作用下发生如下水解反应9-10：ti-obu + h2o ti-oh + buoh （2.1）ti(obu)4 + 2h2o tio2 + 4buoh （2.2）tiobu + ti-oh ti-o-ti + buoh （2.3）ti- oh + ti-oh ti-o-ti + hoh （2.4）上述（2.1），（2.2）反应为ti(obu)4的水解反应，在常温下即可快速进行；（2.3）为生成醇的缩聚反应，（2.4）为生成水的缩聚反应。水解反应产物发生分子间的进一步缩聚，边沟造成网络状钛的凝胶(tio2)n。水解与缩聚反应进行的程度主要取决于h2o/ti(obu)4的摩尔比及溶液的ph值。摩尔比越高，水解反应越完全，否则将得到有机钛氧缩聚产物。由于本文的目的是要得到tio2纳米微粒，因此在上述反应中加入的水过量使ti(obu)4尽可能水解完全。2.2 主要实验设备和试剂主要实验设备见表2-1。表2-1 实验所用主要设备仪器设备名称型号生产厂家强磁力搅拌器电子天平电热恒温鼓风干燥箱台式离心机紫外灯马弗炉分光光度计ems-1alc-210.2dhg-9123atdl80-2bs27721天津市欧诺仪器仪表有限公司北京赛多利斯仪器系统有限公司上海一恒科学仪器有限公司上海安亭科学仪器厂飞利浦照明德国纳博热机集团上海光谱仪器制造有限公司具体实验试剂见表2-2。 表2-2 实验所用药品试剂名称化学式纯度生产厂家钛酸四丁酯无水乙醇硝酸硝酸铁罗丹明bti(oc4h9)4c2h5ohhno3fe(no3)39h2oc28h31cln2o3arar65%68%arar北京益利精细化学品有限公司天津市永大化学试剂有限公司哈尔滨新达化工厂天津市光复精细化工研究所天津市光复精细化工研究所2.3 二氧化钛和掺铁二氧化钛的制备过程本实验采用溶胶凝胶法制备纯tio2和掺铁tio2（记作fe-tio2）光催化剂。室温下将钛酸丁酯缓慢倒入2/3的无水乙醇中，在磁力搅拌器上搅拌30 min得到混合溶液a；将1/3的无水乙醇和l mol/l硝酸的混合溶液（一定量的fe(no3)39h2o，1/3的无水乙醇和1 mol/l硝酸的混合溶液）缓慢滴入到a中，滴完后并快速搅拌30 min得到溶胶b，搅拌速度以混合液中没有泡沫为准。待其成为凝胶后放入105 恒温烘干箱中12 h。然后将干燥后的固体放入马弗炉中设定好温度后烘焙2h，将样品取出冷却至室温研磨后待用（注：试剂具体用量见2.4）。具体流程如下图2-1。图2-1 tio2和fe-tio2的制备流程图2.4 正交实验确定制备tio2各药品配比本实验以制备所得tio2对罗丹明b的脱色率为依据评价制备成果，此处实验目的为得出各试剂最佳配比。表2-3 正交表头设计 因素水平ti(oc4h9)4/mlc2h5oh/mlhno3/mlh2o/ml12317171735.043.752.50.50.60.70.81.01.2 影响tio2处理罗丹明b的因素有试剂配比、锻烧温度、锻烧时间、光催化时间、罗丹明b浓度等。为排除干扰因素，根据多次实验经验和前人研究11-12将锻烧温度、锻烧时间、光催化时间、罗丹明b浓度分别定为450 ，2 h，2 h，5 mg/l，选用l9(34)正交表，正交表头设计如表2-3，按照表2-3进行正交实验，测得每组处理后罗丹明b的吸光度通过计算转化为脱色率，结果及分析如表2-4表2-4 正交实验结果及分析编号ti(oc4h9)4/mlc2h5oh/mlhno3/mlh2o/ml脱色率/%12345678917171717171717171735.043.752.535.043.752.535.043.752.50.50.60.70.60.70.50.70.50.60.81.01.21.20.81.01.01.20.869.868.764.942.248.358.061.064.439.0k1k2k3203.4148.5164.4172.1181.4161.9192.2149.9174.2157.1187.7171.5k1k2k367.849.554.857.460.554.064.150.058.152.462.557.2r18.36.514.110.1图2-2 脱色率与样品关系曲线由表2-4可看出，四个因素对制备所得光催化剂脱色效果的影响主次顺序依次是ti(oc4h9)4 hno3 h2o c2h5oh，由于钛酸丁酯的量相同，所以在钛酸丁酯量固定时，硝酸用量影响最大，其次是水的用量，影响最小的是乙醇用量。由表2-4和图2-2可以看出，制备tio2药品最优组合为a1b2c1d2，换算为摩尔比即为n=1:15:0.01:1。将所得最佳配比条件下制备的tio2在同样条件下进行罗丹明b降解实验，脱色率为73.8%，符合正交实验结果。本论文所有后续降解实验所用tio2光催化剂均在此最优条件下制备。2.5 正交实验确定制备fe-tio2最佳条件本实验在已确定制备tio2最佳配比为前驱体的基础上，通过控制掺杂fe3+的量、锻烧温度、锻烧时间来确定最佳制备条件。同样以对固定浓度罗丹明b的脱色率效果为评价标准。选用l9(34)正交表，正交表头设计如表2-5。表2-5 正交表头设计 因素水平前驱体配比/摩尔比w（fe3+/tio2）/%煅烧温度/煅烧时间/h123nnn0.20.61.04004505001.52.02.5表2-6 正交实验结果及分析编号前驱体配比/摩尔比w（fe3+/tio2）/%煅烧温度/煅烧时间/h脱色率/%123456789nnnnnnnnn0.20.61.00.20.61.00.20.61.04004505004505004005004004501.52.02.52.51.52.02.02.51.577.391.279.479.874.284.367.776.672.8k1k2k3247.9238.3217.1224.8242.0236.5238.2243.8221.0224.3243.2235.8k1k2k382.679.472.474.980.778.879.481.373.774.881.178.6r10.25.87.66.3图2-3 脱色率与样品关系曲线由表2-6和图2-3可以看出在光催化条件相同的情况下，各因素对fe-tio2光催化剂降解效果影响大小顺序为：前驱体配比锻烧温度锻烧时间w(fe3+/tio2)。可见前驱体配比的重要性，它是制备fe-tio2光催化剂的前提。锻烧温度和锻烧时间直接影响光催化剂的晶型，故影响也较大。在这几个影响因素中，影响相对较小的是fe3+的掺杂量，但该因素也是至关重要的，这点将在下面的单因素实验中加以说明。各因素的最佳组合为a1b2c2d2，也即在前驱体配比相同的情况下w(fe3+/tio2)=0.6%，锻烧温度为450 ，锻烧时间为2.0 h。按照这样的组合在相同条件下，再进行一次同样的光催化实验，得出脱色率为90.2%，符合正交实验结果。2.6 fe- tio2光催化剂制备条件的影响 影响fe- tio2光催化剂制备的因素有很多，这里我们特别针对以下几个影响条件分别作讨论，如：锻烧温度、锻烧时间、掺杂fe3+量。2.6.1 锻烧温度的影响催化剂的锻烧是催化剂晶粒形成和生长的过程，它是催化剂制备的关键过程之一，其中锻烧温度对催化剂的活性影响很大。固定前驱体配比、掺铁量、锻烧时间、光催化时间分别为n=1:15:0.01:1、w(fe3+/tio2)=0.6%、2 h、2 h。改变锻烧温度，分别为，400 、450 、500 、550、600。制备过程与2.3所描述相同，在相同光催化条件下进行光催化处理罗丹明b溶液实验，算出脱色率，实验结果如图2-4所示。图2-4 脱色率与不同锻烧温度样品关系曲线从图2.4可知，相同条件下锻烧温度为400的样品处理罗丹明b的脱色率最低，450 500的脱色率都较高，之后随着锻烧温度的升高，样品处理罗丹明b的脱色率随之逐减。分析其原因是由于在400时样品绝大多数还是无定型结构；450500以后锐钛矿占绝大多数13，而随着温度的升高，锐钛矿逐渐转化为金红石，根据前面的理论知识我们可以知道锐钛矿光催化效果比金红石的要好。还有一种可能原因就是随着温度的升高，样品有被烧结团聚的情况，这对脱色反应也是有不利影响的。由于450500的处理效果变化不大，从经济角度考虑确定锻烧温度为450 。2.6.2 锻烧时间的影响由2.5的正交实验可知锻烧温度对fe-tio2催化剂的光催化效果影响是比较大的。同样固定前驱体配比、掺铁量、锻烧温度、光催化时间分别为n=1:15:0.01:1，w(fe3+/tio2)=0.6%，450 ，2 h。改变锻烧时间，分别为1.0h，1.5h，2.0h，2.5h，3.0 h。制备过程与2.3所描述，在相同光催化条件下进行光催化处理罗丹明b溶液实验，算出脱色率，实验结果见图2-5。图2-5脱色率与不同锻烧时间样品关系曲线由图2-5可看出，脱色率随着锻烧时间的延长而增大，焙烧时间为2.0h时脱色率达到最大88.3%。2.0h后脱色率反而随着锻烧时间的延长开始降低。这是因为催化剂母体经高温锻烧后，短时间内尚未形成活性晶相，由于结晶的生长过程相对较慢，因而需要足够的时间才能形成活性晶相。由绪论的理论知识可知锻烧时间过长会引起催化剂晶粒长大，使其活性表面下降，光催化能力下降，因而焙烧时间以2.0h为宜。2.6.3 掺铁量w(fe3+/ tio2)的影响通过掺杂金属离子fe3+来对二氧化钛光催化剂进行改性，结合2.5的正交实验结果，可以知道w (fe3+/tio2)对fe-tio2催化剂的光催化效果影响是比较大的。固定前驱体配比、锻烧温度、锻烧时间、光催化时间分别为n=1:15:0.01:1，450 ，2h，2h。改变掺铁量w(fe3+/tio2)，分别为0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%。制备过程与2.3所描述，在相同光催化条件下进行光催化处理罗丹明b实验，算出脱色率，实验结果见图2-6。图2-6 脱色率与不同掺铁量样品关系曲线由表2-9和图2-6可看出，脱色率先随着w (fe3+/tio2)的增大而增大，当掺杂质量百分比w(fe3+/tio2)为0.6%时脱色率达到最大85.4%。之后脱色率反而随着掺杂百分比的提高而开始降低。分析其原因主要是，在二氧化钛中掺杂fe3+后，催化剂性质发生改变，fe3+掺杂可能在二氧化钛晶格中引入了缺陷位置或改变晶度，成为电子或空穴的陷阱而延长寿命，不但能加强二氧化钛的光催化作用，还有可能将二氧化钛的吸收波长扩展至可见区域。但是掺杂量存在一个最佳值14，小于最佳浓度时，二氧化钛中没有足够的俘获载流子的陷阱；当大于最佳浓度时，随着掺杂量的增加，陷阱之间的平均距离降低，所以光催化活性就会降低。所以铁的最佳掺杂量w(fe3+/tio2)为0.6% 。2.7 小结采用溶胶凝胶法制备纯tio2和fe-tio2光催化剂时，影响因素很多。本实验分别通过正交实验和单因素实验确定各制备条件的最佳值，并结合理论分析各影响因素的影响原因。通过正交实验确定制备纯tio2各药品的摩尔比，在此基础上确定了制备fe-tio2前驱体的比例，通过正交和单因素实验，确定fe-tio2光催化剂的制备条件：前驱体配比（摩尔比）为n=ti(oc4h9)4: c2h5oh: hno3: h2o=1:15:0.01:1，掺铁量w (fe3+/tio2)=0.6 % ；锻烧温度为450 ； 锻烧时间为2h。3 光催化实验及其影响因素3.1 光催化机理对于纯tio2的光催化机理我们在绪论中已经介绍，这里主要介绍fe-tio2的光催化机理15。掺杂fe3+离子以后，掺杂fe3+与tio2中光生电子和空穴的反应方程式为:fe3+ + ecb- fe2+ 电子捕获 (3.1)fe3+ + hvb+ fe4+ 空穴捕获 (3.2)式中，只有fe2+/fe3+的能级低于tio2的导带(cb，conduct band)能级，fe3+/fe4+的能级高于tio2价带(vb，valence band)能级时，反应才可能发生。图3-1列出了铁离子在锐钛矿相中的tio2中的位置，金红石相tio2中的能级状况与锐钛矿相类似。由图3-1可知，fe3+/fe4+的能级高于tio2价带，能产生空穴的捕获剂；fe2+/fe3+的能级位于tio2导带之上，掺杂铁离子有可能成为光生电子的捕获剂。此外，从fe3+和ti4+的氧化还原电位电动势，可知，相对于ti4+和ti3+，fe3+具有更高的氧化还原势能，容易接受电子被还原，更容易成为光生电子的捕获位，从而有利于电荷的有效分离，降低了电子和空穴的复合率。图3-1 铁离子在tio2中的能级图tio2的光催化反应是表面反应，其光催化效应不仅与电子和空穴的捕获，即电荷载流子的局部分离有关，还取决于被捕获的电子或空穴在捕获位的释放和它们向表面的迁移，后者决定被捕获的电荷是否能有效地迁移到tio2表面参与光催化反应。换言之，对tio2光催化反应而言，电子和空穴在晶格中的释放和向表面的迁移与它们的局部分离同样重要。在tio2的光催化反应中，较好的效应是电子空穴对的一个电荷载流子被暂时捕获，而另一个则到达表面转变为被吸收的物质(氧化e-，还原h+)，被暂时捕获的电荷载流子在上述反应完成后不久，再迁移到表面。因此在这里，浅能级的捕获非常重要，被捕获的电荷载流子应能够在捕获位被激活，即能够变得可动。而一个深能级捕获的电荷载流子可能在相同的粒子内部产生下一个电子空穴对前，重新与它的相对物合并（有随后的光子产生)，成为电荷载流子的重新合并中心，从而不利于整个光催化反应。fe3+掺杂对tio2光催化活性的提高还在于作为电荷载流子的浅捕获位，不仅能够捕获电子和空穴，而且被捕获的电子和空穴容易被释放。另外，三价铁离子的半径为0.064nm，略小于四价钛离子半径0.068nm，因此铁离子能进入tio2晶格内部，替代钛离子。四价的钛离子被替代后，提高了tio2晶格内部和表面氧空位。由于氧空位带正电荷，考虑到电荷平衡，多的氧空位含量相应地减少了自由电子的含量；同时，表面氧空位含量的增加有利于氧在表面的吸附，提高了电子与表面吸附的氧化反应，即增加了界面电子的迁移速率，从而提高了tio2的光催化活性。3.2 光催化降解实验3.2.1 实验方法将罗丹明b配制成浓度为5 mg/l的溶液，取200 ml与反应皿中，再加入0.4g的tio2（fe-tio2）使tio2（fe-tio2）在溶液中的浓度为2 g/l，用hcl（naoh）调节不同的ph值，最后将反应皿至于有紫外灯的通风橱内。调整反应皿与紫外灯之间的距离，一般为10 cm。关闭通风橱，打开紫外灯开关，反应2 h，期间每30min取一次水样离心后测其吸光度，计算脱色率。3.2.2 分析方法 在不同波长下测量罗丹明b的吸光度结果如图3-1所示。图3-1 罗丹明b在不同波长下的吸光度由图3-1所示罗丹明b的特征吸收峰波长为550nm。罗丹明b经纯tio2和fe-tio2光催化剂光催化降解后，取清液在550nm处测定吸光度，以此来表征罗丹明b的脱色效果。采用分光光度法测定罗丹明b溶液吸光度来确定其浓度。分别配制不同浓度的罗丹明b溶液，用分光光度计在550 nm处以蒸馏水为空白样测定各溶液的吸光度，溶液标准曲线如图3-2所示。由图3-2可见，罗丹明b溶液的浓度与吸光度在一定浓度范围内成线性关系。图3-2 罗丹明b吸光度与浓度曲线得到了罗丹明b吸光度与浓度关系曲线后，我们在可见光区最大吸收峰550nm下测定样品在纳米tio2降解前后的吸光值。根据样品最大吸光值变化求得样品的脱色率，以此表征tio2光催化剂的催化效率。计算公式如下16：p=(a0at)a0 100% (3.3) 式中：p样品的脱色率；a0样品光催化降解前吸光值；at样品光催化降解t时间段后的吸光值。3.3 处理溶液ph的影响溶液ph值对有机物的去除率有着明显的影响。本实验通过滴加酸和碱的方法来改变罗丹明b溶液的ph值，同样，用最佳条件下制备的催化剂来处理每组水样，光催化时间为2h。由表3-1和图3-3可看出，催化剂fe-tio2相对纯tio2光催化效果要好，但是两种催化剂光催化效果受罗丹明b溶液ph的影响是基本一致的。在酸性条件下催化降解的效果最好，随着ph值的