稀土镧掺杂蒙脱石TiO2

1、毕 业 论 文 目 录摘 要1关键词11 引言12 实验部分12.2样品的制备22.3 光催化活性的测试23 结果与讨论23.1 XRD结果与分析23.2Uv-vis结果与分析33.3 光催化性能分析44 结论5参考文献5英文摘要7英文关键词7 全文共 7 页 3752 字稀土镧掺杂蒙脱石/TiO2复合光催化剂的制备及其性能研究化学与环境科学学院 化学教育08级汉班 张姣姣 20081117051指导教师 赵斯琴 副教授摘 要 本文采用水热法制备了不同质量比Mmt/TiO2（Mmt：蒙脱石）复合光催化剂和稀土镧掺杂Mmt/TiO2 复合光催化剂，通过XRD、Uv-vis等测试手段研究其微观结构

2、和光谱学性能。研究表明，所制备光催化剂均为锐钛矿型TiO2和蒙脱石的复合材料；锐钛矿型TiO2和蒙脱石质量比为5mg:1g时具有一定的红移现象。以甲基橙为目标污染物测试其光催化性能的研究表明，所制备复合光催化剂均有较强的紫外光光催化活性，并均强于p25的光催化活性，其中样品Ti:Mmt(5 mgg-1)的光催化活性最强，而且稀土镧离子的掺杂进一步提高了样品Ti:Mmt(5mgg-1)的光催化活性。关键词 Mmt/TiO2 稀土镧掺杂 光催化性能1 引言随着社会和工业的发展，环境污染日益严重，净化和修复环境势在必行1。半导体光催化剂以其高的光催化性能在降解有机污染物和有机染料方面的应用受到人们的

3、广泛关注。TiO2 因其无毒、催化性能好、氧化能力强、稳定性好而被认为是最理想的光催化剂。但它也有不可避免的缺点：TiO2 具有较宽的禁带宽度，不易回收利用，容易造成二次污染而难以工业化生产2。所以许多科学工作者致力于制备具有优良光催化活性的负载型光催化剂，期望在保证优良光催化性能的同时解决其回收再利用的问题。蒙脱石是一种含水的层状铝硅酸矿物，具有特殊的层状结构，良好的吸附性和离子交换性，将聚合羟基钛离子引入蒙脱石层间，可以增加催化剂与降解物的接触而提高光降解效果3。本文以钛酸四丁酯为钛源，以钠基蒙脱石为载体制备出了Mmt/TiO2 复合光催化剂和镧掺杂的Mmt/TiO2 复合光催化剂，对催化

4、剂的结构进行了表征，并对其降解甲基橙的光催化活性进行了考察4。2 实验部分2.1 化学试剂和仪器试剂：钛酸四丁酯（分析纯），无水乙醇（分析纯），硝酸镧（分析纯），钠基蒙脱石，6molL-1 HNO3，甲基橙（指示剂，分析纯），一次蒸馏水。仪器：HJ-6A 多头磁力搅拌器；反应釜；DHG-9245A 型电热恒温鼓风干燥箱，上海；FA2004B 电子天平；XPA 系列光化学反应仪，氙灯控制器，南京胥江机电厂；300W 汞灯；台式离心机80-1型，金坛市杰瑞尔电器有限公司；SHB-A 循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；津岛UV-2550紫外-可见分光光度计；Philip 公司Pw1830型

5、X射线衍射仪，辐射源为Cu-K线；722N可见分光光度计；JAC-300N 型数控超声波清洗机；250mL烧杯，分液漏斗，移液管，容量瓶等。2.2 样品的制备分别取5.1mL一次蒸馏水，6mL C2H5OH，3mL 6 molL-1 HNO3，一定质量蒙脱石（分别为0.5g，1g，2g，4g）于1#4# 250mL烧杯中，放在磁力搅拌器上搅拌。分别取5.1mL Ti(OBu)4和18mL C2H5OH混合溶液置于四个分液漏斗中，振荡混合均匀，滴定烧杯中的混合物（滴加速度为：1215 dmin-1），滴定完毕，盖上培养皿继续搅拌，总搅拌时间为8h。然后将混合物转入1#4#反应釜中，放入恒温干燥箱

6、中180干燥24h。取出后过滤，所得固体用乙醇、水、乙醇洗涤三次，将固体放入恒温干燥箱中80干燥2h，研磨30min制得Ti:Mmt分别为10 mgg-1、5 mgg-1、2.5 mgg-1、1.2 mgg-1的复合光催化剂，分别表示为Ti:Mmt（10 mgg-1）、Ti:Mmt（5 mgg-1）、Ti:Mmt（2.5 mgg-1）、Ti:Mmt（1.2 mgg-1）。在其他步骤不变的情况下，只需在2#烧杯中多加0.06488g La(NO3)36H2O即可制得1%-La-Ti:Mmt（5 mgg-1）复合光催化剂。2.3 光催化活性的测试光降解目标物为20 mgL-1甲基橙溶液，在250

7、mL甲基橙溶液中加入0.2500g制备的光催化剂，经超声波分散10 min 后置于光催化反应器中，强磁力搅拌，隔20 min 取一次样，离心分离10 min，测试甲基橙溶液吸光度，总反应时间为120 min。计算得到，目标降解物溶液的紫外光照射下的降解率5 D%=(1-A-A0)100%其中：D为降解率；A为目标降解物溶液反应后的吸光度；A0为目标降解物溶液未反应时的吸光度。3 结果与讨论3.1 XRD结果与分析图1是蒙脱石原料和系列蒙脱石复合TiO2光催化剂XRD谱图。由图1可以看出，蒙脱石原料在2值为20.9、26.7、29.5、35.2、50.3、60.2、62.2、68.4处出现了主要

8、衍射峰，在Mmt/TiO2 复合光催化剂中，除了出现锐钛矿型TiO2光催化剂2值为25.3、37.8、48.2、54.1和62.9处新的衍射峰，分别对应于锐钛矿型TiO2 晶体特征衍射晶面(101)、(112)、(200)、(105)和(204)的衍射峰，还出现了蒙脱石的特征峰，而且随着蒙脱石含量的增加，蒙脱石原料的衍射峰越来越明显。说明TiO2光催化剂已经进入蒙脱石的层间距，所制备样品为蒙脱石和锐钛矿型TiO2的复合材料6。当Ti:Mmt=5 mgg-1时，Mmt/TiO2 复合光催化剂中TiO2 的衍射峰最明显，说明Ti:Mmt=5 mgg-1时，TiO2 纳米粒子能最有效的进入蒙脱石层间

9、距，形成层间距更大的新的层结构，这更有利于降低催化反应中电子和真空穴的复合率，提高光催化活性7。1%La-Ti:Mmt（5 mgg-1）与Ti:Mmt（5 mgg-1）复合光催化剂相比，衍射峰变宽，可能是因为稀土La3+离子的掺入使TiO2纳米粒子的生长受到抑制，进而导致TiO2纳米粒子粒径减小，从而增大其比表面积，有利于提高体系光催化性能8。从样品1%La-Ti:Mmt（5 mgg-1）XRD谱图中未观察到氧化镧的衍射峰，这可能是掺杂的稀土离子含量极少或很分散使得X射线衍射未能检测到9。 2/()图1 不同样品XRD谱图3.2 Uv-vis结果与分析图2 不同样品Uv-vis吸收光谱图图2是

10、蒙脱石原料和系列蒙脱石复合TiO2光催化剂Uv-vis吸收光谱图。由图可知，纯蒙脱石吸收曲线有两个吸收峰，有可能对应于组成蒙脱石的两种氧化物的吸收峰；其它复合光催化剂的吸收曲线中均出现了锐钛矿型TiO2的本征吸收曲线； Mmt/TiO2 复合光催化剂的吸光度明显大于蒙脱石原料，与蒙脱石原料Uv-vis吸收曲线比较，Mmt/TiO2 复合光催化剂Uv-vis吸收曲线产生了不同程度的红移，与XRD结果相符，可能是由于TiO2 进入蒙脱石层间，使得TiO2的禁带宽度变窄，电子跃迁所需能量变低，光能量利用范围增加，光催化性能更好10，另一方面组成蒙脱石的氧化物复合于TiO2，这样也有利于体系光催化性能

11、的提高11。其中Ti:Mmt（5 mgg-1）复合光催化剂的红移程度最大，说明蒙脱石和锐钛矿型TiO2存在一个最佳复合量，复合比例为5 mgg-1。3.3 光催化性能分析 图3 不同样品光催化降解曲线图图3是蒙脱石原料和系列蒙脱石复合TiO2光催化剂，在紫外光照射的情况下，对甲基橙溶液的光催化降解曲线图。由图可知，纯的蒙脱石光催化性能较差，在2h内，对甲基橙只能光降解50%左右，而蒙脱石复合TiO2光催化剂均有较强的光催化性能，光催化活性均高于p25，其中镧掺杂的光催化活性最高，20 min内对甲基橙的光降解率能达到95%以上，其它复合材料Mmt/TiO2（Ti:Mmt=5、1.2、2.5、1

12、0 mgg-1）的降解率在80min时也能达到96.77%，96.71%，93.555%，90.40%，88.58%等。由图3可知，样品Ti:Mmt（1.2 mgg-1）对甲基橙溶液具有较好的吸附性能，没照射紫外光条件下，10 min内，对甲基橙的降解率，或吸附率能达到80%以上，关于吸附性能的内容本文未能写出。原因可能为，TiO2 晶粒在蒙脱石表面的分散程度较好，充分体现了蒙脱石和TiO2 的本身性能，而随着Ti:Mmt比值增大，蒙脱石表面的TiO2 晶粒开始发生团聚，导致与甲基橙分子的有效接触面减小而影响其光催化效率，从而存在一个最佳的掺杂比12。金属La3+离子的掺杂明显提高了Mmt/T

13、iO2 复合光催化剂的活性。原因可能为，TiO2 晶体是八面体结构晶体,一定量的La3+离子进入到TiO2 晶格时, 部分Ti4 +离子被La3+离子替代，形成TiOLa键。由于La3+离子的半径（0. 115 nm）大于Ti4 +离子的半径（0. 064 nm）13，而使TiO2 局部晶格膨胀，发生畸变，比表面积增大，光催化活性也相继提高。而且稀土La3+离子的掺杂使Ti和O离子的能量传递和重排受到了阻碍，Mmt/TiO2 纳米粒子的生长受到抑制，进而导致Mmt/TiO2 纳米粒子粒径减小，粒径越小，被激发的电子和真空穴转移到表面所用的时间越少，光催化活性越高14,15。4 结论（1）以钠基

14、蒙脱石和钛酸四丁酯为主要原料，采用水热法可以制备出Mmt/TiO2 复合材料，所制备样品均为蒙脱石和锐钛矿型TiO2 复合材料，锐钛矿相TiO2在蒙脱石的层间域和表面均有分布；（2）蒙脱石因其层间域的特殊化学反应场所，可作为较理想的光催化载体，TiO2能在蒙脱石表面及层间牢固负载，有效减少了粉体状TiO2的流失；（3）La3+离子的掺杂使Mmt/TiO2 复合光催化剂Uv-vis吸收曲线产生一定程度的红移，而且La3+离子的掺杂能有效抑制Mmt/TiO2 纳米颗粒尺寸的增长，增大比表面积，从而增强Mmt/TiO2 复合光催化剂的光催化活性；（4）Mmt/TiO2 复合光催化剂的光催化活性均高于

15、p25的光催化活性。本实验中掺杂1%摩尔比的Mmt/TiO2 复合光催化剂的光催化活性最好，光催化降解率可达97%。本文在写作过程中得到了赵斯琴老师的多次精心指导，在此表示感谢。参考文献：1 向礼琴,赵晓鹏.蒙脱土/二氧化钛复合颗粒电流变液材料的制备及其性能J.化学学报, 2003,61(11):1867-1871.2 闫俊萍,张中太,唐子龙等.插层复合材料的光催化研究进展J.功能材料,2003,34(5): 482-484.3 李新平,刘建军,徐东升等.Ag-TiO2/蒙脱土复合纳米光催化剂的研究J.分子催化,2006, 20(4):355-359.4 姜三营,许红亮,贾许辉等.蒙脱石TiO

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17、049-1054.9 张嘉婧,李青,范丽娟.Fe2O3/TiO2/蒙脱土光催化剂的制备及光催化性能研究J.河南师范大学学报(自然科学版),2009,(5):79-82.10 杨武成,利燕,薛再兰等.TiO2柱撑蒙脱土的制备及其对品红降解的催化反应J.光谱学与光谱分析,2008,28(5):1122-1125.11 朱斌,张明月,王莅等.镧掺杂ZnO/TiO2催化降冰片二烯异构化反应研究J.中国稀土学报, 2008,26(3):268-271.12 梅娟,郝佳瑞,余洪杰等.蒙脱石/TiO2复合材料清除蓝藻的实验研究J.非金属矿,2009, 32(5):66-71.13 薛寒松,李华基,胡慧芳等.

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19、onment Science College of Inner Mongolia Normal University Chemistry Education Grade 2008 ZhangJiaojiao 20081117051Advisor ZhaoSiqin Associate professorAbstract: This paper use the hot water for the different quality ratio of Mmt/TiO2 (Mmt: montmorillonite) composite light catalysts and rare- earth La3+ doped Mmt/TiO2 composite light catalysts, and study their microstructures and spectroscopy properties by taking the XRD, Uv-vis etc test means. The research shows that light catalyst preparated are all for the sharp titanium ore type TiO2 and montm