响应面法优化N掺杂P25改性材料的制备工艺.pdf

化 工 新 型 材 料 第 卷第 期 年 月 基金项目 国家自然科学基金资助项目 广东省科技计划资助项目 淀粉与植物蛋白深加工教育部工程研究中心开放 课题资助项目 作者简介 魏哲东 男 在读硕士研究生 食品科学专业 联 系 人 宋贤良 副教授 主要从事聚合物基纳米光催化材料的研究 响应面法优化 掺杂 改性材料的制备工艺 魏哲东 张建广 宋贤良 叶盛英 华南农业大学食品学院 广州 华南理工大学淀粉与植物蛋白深加工教育部工程研究中心 广州 摘 要 采用响应面法对 掺杂改性光催化材料 进行优化 提高其在可见光下的光催化活性 以亚甲基蓝 作为目标降解物 对煅烧温度 煅烧时间 掺杂量 个因素进行单因素实验 根据单因素实验结果设计中心组合实验 采 用响应面分析法确定最优条件 结果表明 煅烧温度为 煅烧时间为 掺杂量为 与 的质量比 时 可见光催化活性最高 对亚甲基蓝的降解率达到 与预期值 基本符合 关键词 可见光 催化活性 响应面 是一种新型的半导体材料 化学性质稳定 无毒 抗 光腐蚀性好和较强的氧化性能 使其在治理环境污染方面取 得了越来越多的关注 具有最广泛的应用前景 但是 由 于 的激发能较高 锐钛矿型的禁带宽度为 金红 石型的禁带宽度为 只能利用占太阳光能 的 紫外光 对太阳光的利用率极低 为提高纳米 对太阳光的利用率 许多学者使用溶胶 凝胶法 化学 沉淀法 和水热合成法 等合成 实现金属离子 非金属 离子的掺杂 拓宽光响应范围 使其光催化性能得到改善 但 是由于制备得到的 团聚严重 颗粒较大 极大地限制了 光响应范围的拓展 是德国 公司生产的一种商 业纳米 被广泛用作光催化剂 价廉易得 分散良好 尺寸 较小 目前 直接对 进行改性制备可见光响应 纳米光催化材料的研究鲜有报道 虽然 使用非金属离子 进行掺杂改性的报道非常多 但 是探究最佳改性条件的研究却未见报道 本研究以尿素为 源 采用研磨 煅烧法对 进行掺氮改性 制备改性光催化 材料 以亚甲基蓝的降解率作为评价指标 煅烧温度 煅烧时间 掺杂量三个因素为自变量 通过响应面法对 掺杂 的影响因素进行优化 探究 元素的最佳改性条件 为以 后对 进行改性研究 最大程度拓展光响应范围提供实验 基础和技术依据 实验部分 试剂与仪器 尿素为分析纯 亚甲基蓝 天津市科密欧化学试剂有限公 第 期魏哲东等 响应面法优化 掺杂 改性材料的制备工艺 司 粉 德国 公司生产 含 锐钛型和 金 红石型 粒径 玛瑙研钵 黑山县新立屯玛瑙工艺厂 磁力搅拌器 型 常州奥华仪器有限公司 荧光灯 型 佛山雪 莱特光电科技股份有限公司 马弗炉 上海实验电 炉厂 紫 外 可 见 分 光 光 度 计 型 上 海 凌 光 技 术 有 限 公司 光催化剂制备 首先称取一定量的尿素放入玛瑙研钵中 通过手工研磨 成粉末状 然后称取一定量的 粉末放入玛瑙研钵中 使其 混合均匀 连续研磨 研磨后的复合物置于马弗炉中高 温煅烧一定时间得到改性的 掺杂 可见光催化 村料 以亚甲基蓝为目标降解物 探究其可见光催化活性 光催化活性测试 煅烧温度的影响 在掺杂量为 脲 煅烧时间 的条件 下 考察不同煅烧温度 和 下 改性材料可见光催化降解亚甲基蓝的效果 煅烧时间的影响 在掺杂量为 脲 煅烧温度 的条 件下 考察不同煅烧时间 下 改性材 料可见光催化降解亚甲基蓝的效果 掺杂量的影响 在煅烧时间 煅烧温度 的条件下 考察不同掺杂 量 脲 下 改性材料可见光催化降解亚甲基蓝的效果 掺杂 改性材料的响应面优化 在单因素实验的基础上 根据响应面中心组合实验设计 原理 设计了 因素 水平的响应面分析实验 对 掺杂 改性材料可见光下催化效果进行优化 中心组合实验因素与 水平设计如表 所示 表 中心组合设计因素水平表 水平 因素 煅烧温度 煅烧时间 掺杂量 结果与分析 降解亚甲基蓝空白试验 图 为 在无光照时对亚甲基蓝的吸附以及无光催 化剂 时可见光对亚甲基蓝的降解效果 由图可知 在 无光照条件时 对亚甲基蓝的吸附作用很微弱 磁力搅 拌吸附 后 其吸附率仅为 而在无光催化剂条 件下 使用 的白炽灯照射 随着时间延长 亚甲基蓝逐渐 降解 但 是 降 解 率 较 低 后 亚 甲 基 蓝 的 降 解 率 仅 为 不同因素对 可见光下降解亚甲基蓝的 影响 煅烧温度对 可见光下降解亚甲基蓝的影响 图 为不同煅烧温度制得的 在可见光下对亚甲基 蓝的降解效果 由图可知 随着煅烧温度的上升 亚甲基蓝的 降解率先升高后降低 煅烧温度在 时亚降解率最大 达 到 故煅烧温度为 最佳 煅烧时间对 可见光下降解亚甲基蓝的影响 图 不同煅烧时间制得的 在可见光下对亚甲基蓝 的降解效果 由图可知 随着煅烧时间的延长 亚甲基蓝的降 解率先升高后降低 煅烧时间在 时降解率最大 故煅烧时 间为 最佳 图 亚甲基蓝的吸附或降解 图 不同煅烧温度对 可见光催化降解亚甲基蓝的影响 图 不同煅烧时间对 可见光催化降解 亚甲基蓝的影响 图 不同 掺杂量对 可见光催化 降解亚甲基蓝的影响 掺杂量对 可见光下降解亚甲基蓝的影响 图 为不同 掺杂量制得的 在可见光下对亚甲基 蓝的降解效果 由图可知 随着 掺杂量的增加 亚甲基蓝的 降解率先增大后减小 掺杂量在 时增加明显 时降低幅度减慢 掺杂量在 时降解率最大 故掺杂量为 最佳 掺杂 改性材料的响应面优化 回归模型拟合及方差分析 对煅烧温度 煅烧时间和掺杂量 个因素做二次旋转回 归试验 试验结果如表 所示 运用 软件对试 验数据进行回归模型方差分析 分析结果如表 所示 由表 可知 煅烧温度和掺杂量的一次项均达到显著水平 小 于 表明这 个因素对亚甲基蓝降解率的线性效应显 著 煅烧温度和掺杂量的二次项达到极显著水平 小于 表明二者对亚甲基蓝降解率的曲面效应显著 同时 我 们可以得知 个因素对亚甲基蓝降解效果的影响依次是 煅 化 工 新 型 材 料第 卷 烧温度 掺杂量 煅烧时间 并且 的交互作用大于 和 表 中的模型失拟项 为 不显著 整个模型的 小于 达到极显著水平 说明回归模型 拟合很好 可以代替试验真实点对试验结果进行分析 利用 软件对表 数据进行多元回归拟合 得到降解率 对煅烧温度 煅烧时间 和掺杂量 的 二次多项回归模型 表 响应面分析试验结果 试验号煅烧温度 煅烧时间 掺杂量 降解率 表 回归模型方差分析 方差来源平方和自由度均方 值 模型 残差 失拟项 纯误差 总离差 注 表示差异显著 表示差异极显著 优化模型响应面和等高线分析 用 软件 根据回归方程分析作响应面和等高 线图 由图 所示 煅烧温度比煅烧时间对亚甲基蓝降解所起 的作用更为显著 表现为煅烧温度的曲线更陡峭 最高亚甲基 蓝降解率出现在 水平 由图 可知 煅烧温度和掺杂量的曲 线都比较陡峭 说明这两个因素在亚甲基蓝的降解中都起到非 常显著的作用 因为煅烧温度比掺杂量的曲线更加陡峭 故煅 烧温度所起的作用最为显著 在 水平可得到最高亚甲基蓝 降解率 由图 可知 掺杂量比煅烧时间在亚甲基蓝降解上起 到作用更为显著 因为在响应面上掺杂量的曲线比煅烧时间 的曲线更陡峭 比较图 图 可进一步得出煅烧温度与掺杂 量的交互作用显著 其他因素交互作用均不显著 为确定最佳点的值 对模型进行分析 以得到最高亚甲基 蓝降解率下的最优 改性条件 根据二次回归的数学模 型分析结果 得到的最优条件为煅烧温度 掺杂量为 煅烧时间为 图 煅烧温度与煅烧时间 对 降解亚甲基蓝 效果的响应面及等高线 图 煅烧温度与掺杂量 对 降解亚甲基蓝 效果的响应面及等高线 图 煅烧时间与掺杂量 对 降解亚甲基蓝 效果的响应面及等高线 验证实验 为验证实验结果的可信性 在上述最优条件下对 进 行 掺杂改性 同时考虑到实验的可操作性 最优条件修正为 煅烧温度 煅烧时间 掺杂量 根据上述条件 做三次平行试验 数值分别为 和 平 均值为 与预测值 相对误差为 说明 该方程与实际情况拟合很好 充分验证了所建模型的正确性 结论 采用单因素实验 分别考察了煅烧温度 煅烧时间和掺杂 量对 掺杂制备改性 可见光下降解亚甲基蓝的影响 研 究结果表明 随着煅烧温度的升高 煅烧时间的延长和掺杂量 的 增加 在可见光下对亚甲基蓝的降解均呈先上升后 下转第 页 第 期李 娜等 鸭跖草色素敏化 纳米管太阳能电池的研究 影响天然染料敏化太阳能的光电性能的关键因素 我们将在以 后工作继续深入研究 图 鸭跖草色素敏化不同管长 太阳能 电池的电压 电流 曲线 电化学阻抗性能研究 图 所示 从电化学阻抗分析所得的 图参 数是分别在暗场和光照条件下进行的 其分析结果与电压 电 流曲线结果符合 随着 阳极 纳米管管长增加 图的曲线曲率半径减小 即阻抗减小 这是因为由于 纳米管管长增长 导带电子浓度减少导致 染 料界面电子 空穴复合率减小 即光电流增加 所以阻抗减小 对比图 和图 光照条件下比暗场的 图的曲线曲 率半径减小 即阻抗减小 这表明光照加速了光电子在染料 界面转移数量和转移速度 理想的 纳米管管长可 以吸附适量的染料 光激发电子 空穴分离几率最大 光电子 在染料 界面转移 因此光电流增大 阻抗减小 阻抗谱 进一步证明了 纳米管阵列结构是影响天然染料敏化太 阳能的光电性能的重要因素 图 不同条件测定 的 图 结论 天然染料敏化 纳米管太阳能电池的研究结果是可行 性的 鸭跖草色素敏化的 管长的 纳米管太 阳能电池的光电转换效率分别为 其对应的光 电流密度分别达到 尽管其光电性 能还是无法达到工业化水平 但是通过改性天然色素染料与提 取方法 以及优化 纳米管阵列的结构 我们认为通过进一 步的研究将得到性能更佳的染料敏化太阳能电池 参考文献 收稿日期 檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨