CN102091653A - 一种复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16 - Google Patents

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强亮生
王忠凯
王余
马晶
唐翔波
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Abstract

一种复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16，涉及一种光催化剂。本发明为了解决目前TiO2光催化剂的光催化效率低的问题。本发明的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16由SBA-16介孔分子筛、Fe(NO3)3·9H2O晶体、无水乙醇、钛酸四丁酯和去离子水制成。本发明的光催化剂的量子效率提高，选择吸附性能好，光催化效率得到了极大的提高。应用于光催化剂领域。

Description

一种复合型光催化剂Fe-TiO<sub>2</sub>/SBA-16
技术领域
本发明涉及一种光催化剂。
背景技术
随着科技的发展，全球性的污染越来越严重，气候变暖、臭氧空洞、水污染、土地沙漠化等，日益危害人类的生存。因此保护人类的生存环境已引起全社会的普遍重视。污水处理和空气净化也因此成为各国科研工作者重要的研究内容。如何有效地去除在工业废水中的表面活性剂、染料、重金属离子等有毒物质，及大气中的有机废气和有毒气体，成为各研究领域的热门话题。
光催化氧化作为一种高级氧化技术，在处理污水治理、去除有机废气和有毒气体领域得到较快的发展。自从Fujishima提出TiO2具有光催化效应之后，TiO2就作为一种重要的功能材料开始被人们研究。TiO2光催化技术是一种新型高效的废水处理技术，具有氧化能力强、反应条件温和、设备简单、易于控制、无二次污染等优点，其在生物难降解废水治理及生活用水深度处理等方面应用广泛。然而，TiO2光催化剂的量子效率低和选择吸附性能差，从而抑制了其光催化效率。
发明内容
本发明是为了解决目前TiO2光催化剂的光催化效率低的问题，提供一种复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16。
本发明的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16由SBA-16介孔分子筛、Fe(NO3)3·9H2O晶体、无水乙醇、钛酸四丁酯和去离子水制成；其中SBA-16介孔分子筛与Fe(NO3)3·9H2O晶体的质量比为1∶0.014～0.064，SBA-16介孔分子筛的质量与无水乙醇的体积比为1g∶36～40mL，SBA-16介孔分子筛的质量与钛酸四丁酯的体积比为1g∶3.6～4mL，SBA-16介孔分子筛的质量与去离子水的体积比为1g∶30～34mL。
本发明的原理：TiO2禁带宽度为3.2eV，其对应的吸收波长为387.5nm，光吸收仅局限于紫外区。在TiO2晶体中引入金属离子Mn+，当Mn+/M(n-1)+能级位于禁带的导带附近时，会形成浅势俘获阱，容易捕获激发到TiO2导带上的光电子。而当M(n+1)+/Mn+能级位于TiO2价带附近时，则形成易于捕获价带空穴的深势俘获阱。两种势阱都能起到分离电子空穴对的作用。Fe3+/Fe2+能级靠近TiO2导带，而Fe4+/Fe3+能级靠近TiO2价带，Fe3+离子的掺入使TiO2同时具有两种势阱，既能作为电子的捕获中心，也能作为空穴的捕获中心，因此Fe3+在掺杂光催化方面优于其他金属离子。掺杂铁离子增加了TiO2对目标降解物的吸附，从而加快降解速率，提高了光催化效率。
三位孔道结构的介孔分子筛SBA-16以其规整的孔道结构和高比表面积的双重优势广泛的被作为催化剂载体应用于多相催化领域。本发明将TiO2负载于SBA-16的三位孔道内，再进行Fe3+的掺杂，合成出的Fe-TiO2/SBA-16复合型光催化剂，量子效率提高，选择吸附性能好，其光催化效率得到了极大的提高。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-1由SBA-16介孔分子筛、Fe(NO3)3·9H2O晶体、无水乙醇、钛酸四丁酯和去离子水制成；其中SBA-16介孔分子筛与Fe(NO3)3·9H2O晶体的质量比为1∶0.014～0.064，SBA-16介孔分子筛的质量与无水乙醇的体积比为1g∶36～40mL，SBA-16介孔分子筛的质量与钛酸四丁酯的体积比为1g∶3.6～4mL，SBA-16介孔分子筛的质量与去离子水的体积比为1g∶30～34mL。
本实施方式所述的SBA-16介孔分子筛、Fe(NO3)3·9H2O晶体、无水乙醇和钛酸四丁酯可在市场购买得到。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：SBA-16介孔分子筛与Fe(NO3)3·9H2O晶体的质量比为1∶0.02～0.06。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：SBA-16介孔分子筛与Fe(NO3)3·9H2O晶体的质量比为1∶0.03～0.05。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：SBA-16介孔分子筛与Fe(NO3)3·9H2O晶体的质量比为1∶0.04。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：SBA-16介孔分子筛的质量与无水乙醇的体积比为1g∶37～39mL。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：SBA-16介孔分子筛的质量与无水乙醇的体积比为1g∶38mL。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：SBA-16介孔分子筛的质量与钛酸四丁酯的体积比为1g∶3.7～3.9mL。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：SBA-16介孔分子筛的质量与钛酸四丁酯的体积比为1g∶3.8mL。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：SBA-16介孔分子筛的质量与去离子水的体积比为1g∶31～33mL。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：SBA-16介孔分子筛的质量与去离子水的体积比为1g∶32mL。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16由SBA-16介孔分子筛、Fe(NO3)3·9H2O晶体、无水乙醇、钛酸四丁酯和去离子水制成；其中SBA-16介孔分子筛与Fe(NO3)3·9H2O晶体的质量比为1∶0.016，SBA-16介孔分子筛的质量与无水乙醇的体积比为1g∶37.2mL，SBA-16介孔分子筛的质量与钛酸四丁酯的体积比为1g∶3.68mL，SBA-16介孔分子筛的质量与去离子水的体积比为1g∶33.2mL。
本实施方式制备的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16中Fe占TiO2的质量百分比为0.25％。
本实施方式所述的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16的制备方法为：一、取1.84mL钛酸四丁酯(TBOT)溶解于18.6mL的无水乙醇中，常温下搅拌20min，得溶液A；二、将0.5g的SBA-16介孔分子筛加入到溶液A中，搅拌2h，得溶液B；三、将0.008g的Fe(NO3)3·9H2O晶体溶解于16.6mL去离子水中，得溶液C；四、将溶液C逐滴加入到溶液B中，每隔4～5秒加入1滴，并搅拌12h，得到黄色凝胶状样品；五、将黄色凝胶状样品抽滤，然后置于80℃的烘箱内烘干24h；六、然后在550℃条件下，于马弗炉中焙烧3h，即得到复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16。
具体实施方式十二：本实施方式的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16由SBA-16介孔分子筛、Fe(NO3)3·9H2O晶体、无水乙醇、钛酸四丁酯和去离子水制成；其中SBA-16介孔分子筛与Fe(NO3)3·9H2O晶体的质量比为1∶0.032，SBA-16介孔分子筛的质量与无水乙醇的体积比为1g∶37.2mL，SBA-16介孔分子筛的质量与钛酸四丁酯的体积比为1g∶3.68mL，SBA-16介孔分子筛的质量与去离子水的体积比为1g∶33.2mL。
本实施方式制备的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16中Fe占TiO2的质量百分比为0.5％。
本实施方式所述的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16的制备方法为：一、取1.84mL钛酸四丁酯(TBOT)溶解于18.6mL的无水乙醇中，常温下搅拌20min，得溶液A；二、将0.5g的SBA-16介孔分子筛加入到溶液A中，搅拌2h，得溶液B；三、将0.016g的Fe(NO3)3·9H2O晶体溶解于16.6mL去离子水中，得溶液C；四、将溶液C逐滴加入到溶液B中，每隔4～5秒加入1滴，并搅拌12h，得到黄色凝胶状样品；五、将黄色凝胶状样品抽滤，然后置于80℃的烘箱内烘干24h；六、然后在550℃条件下，于马弗炉中焙烧3h，即得到复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16。
具体实施方式十三：本实施方式的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16由SBA-16介孔分子筛、Fe(NO3)3·9H2O晶体、无水乙醇、钛酸四丁酯和去离子水制成；其中SBA-16介孔分子筛与Fe(NO3)3·9H2O晶体的质量比为1∶0.063，SBA-16介孔分子筛的质量与无水乙醇的体积比为1g∶37.2mL，SBA-16介孔分子筛的质量与钛酸四丁酯的体积比为1g∶3.68mL，SBA-16介孔分子筛的质量与去离子水的体积比为1g∶33.2mL。
本实施方式制备的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16中Fe占TiO2的质量百分比为1％。
本实施方式所述的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16的制备方法为：一、取1.84mL钛酸四丁酯(TBOT)溶解于18.6mL的无水乙醇中，常温下搅拌20min，得溶液A；二、将0.5g的SBA-16介孔分子筛加入到溶液A中，搅拌2h，得溶液B；三、将0.0315g的Fe(NO3)3·9H2O晶体溶解于16.6mL去离子水中，得溶液C；四、将溶液C逐滴加入到溶液B中，每隔4～5秒加入1滴，并搅拌12h，得到黄色凝胶状样品；五、将黄色凝胶状样品抽滤，然后置于80℃的烘箱内烘干24h；六、然后在550℃条件下，于马弗炉中焙烧3h，即得到复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16。
将具体实施方式十一至十三制得的三种复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16分别应用于罗丹明B的光降解实验中，以确定其光催化活性：一、将0.05g的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16加入到100mL10mg/L的罗丹明B溶液中，在无光照的条件下，暗反应30min，之后检测罗丹明B溶液的浓度；二、然后将罗丹明B溶液转移到光反应容器中，使用400W的紫外灯作为光源，垂直于溶液表面，距离溶液表面20cm；三、然后每隔15min取5mL溶液，进行离心，取上清溶液，检测罗丹明B溶液的浓度，将光照后的罗丹明B溶液浓度比上光照前的罗丹明B溶液浓度，得到的值为降解率。
同时对TiO2纳米颗粒和TiO2/SBA-16光催化剂进行上述光降解实验，计算其降解率，并与三种复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16的降解率作比较，如表1所示。
表1
Figure BDA0000040191950000041
从表1中可以看出，具体实施方式十一至十三制备的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16比TiO2纳米颗粒的光催化效率高，用同样的时间，复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16的光降解率约是TiO2纳米颗粒的两倍；达到相同的降解率时复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16所用的时间约是TiO2纳米颗粒的一半；具体实施方式十一至十三制备的复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16比TiO2/SBA-16光催化剂的光催化效率高，在光反应30min以后，复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16的光降解率比TiO2/SBA-16光催化剂高。
从表1中还可以看出，当Fe占TiO2的质量百分比为0.5％时，复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16的光催化效率最高。

Claims (6)

1.一种复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16，其特征在于，复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16由SBA-16介孔分子筛、Fe(NO3)3·9H2O晶体、无水乙醇、钛酸四丁酯和去离子水制成；其中SBA-16介孔分子筛与Fe(NO3)3·9H2O晶体的质量比为1∶0.014～0.064，SBA-16介孔分子筛的质量与无水乙醇的体积比为1g∶36～40mL，SBA-16介孔分子筛的质量与钛酸四丁酯的体积比为1g∶3.6～4mL，SBA-16介孔分子筛的质量与去离子水的体积比为1g∶30～34mL。
2.根据权利要求1所述的一种复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16，其特征在于SBA-16介孔分子筛与Fe(NO3)3·9H2O晶体的质量比为1∶0.02～0.06。
3.根据权利要求1所述的一种复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16，其特征在于SBA-16介孔分子筛与Fe(NO3)3·9H2O晶体的质量比为1∶0.04。
4.根据权利要求2所述的一种复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16，其特征在于SBA-16介孔分子筛的质量与无水乙醇的体积比为1g∶37～39mL。
5.根据权利要求4所述的一种复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16，其特征在于SBA-16介孔分子筛的质量与钛酸四丁酯的体积比为1g∶3.7～3.9mL。
6.根据权利要求5所述的一种复合型光催化剂Fe-TiO2/SBA-16，其特征在于SBA-16介孔分子筛的质量与去离子水的体积比为1g∶31～33mL。
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