CN103342402A

CN103342402A - 氮掺杂的氧缺位型TiO2催化剂降解亚甲基蓝的方法

Info

Publication number: CN103342402A
Application number: CN2013102830426A
Authority: CN
Inventors: 姜华昌; 曾翎
Original assignee: Zhejiang Lover Health Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Lover Health Science and Technology Development Co Ltd
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2013-10-09

Abstract

本发明涉及光催化氧化降解技术，旨在提供一种氮掺杂的氧缺位型TiO₂催化剂降解亚甲基蓝的方法。该方法包括：将氮掺杂的氧缺位型TiO₂催化剂加入亚甲基蓝溶液中，在遮光的条件下搅拌；然后以可见光源照射即可。本发明采用氮气保护法制备TiO₂催化剂，使催化剂内产生氧缺位结构，加上氮气中的氮元素部分会进入催化剂内，从而产生氮掺杂结构。催化剂催化氧化废水能力强，以亚甲基蓝作为模拟废水，试验结果为在光照3h内光催化降解率最佳可超过95%。

Description

氮掺杂的氧缺位型TiO2催化剂降解亚甲基蓝的方法

技术领域

本发明涉及光催化氧化降解技术，具体地说，涉及氮掺杂的氧缺位型TiO₂催化剂降解亚甲基蓝的方法。

背景技术

水是人类赖以生存的重要的资源。但人类在生产和生活过程中，会产生大量的有机废水。这些废水必须采用各种方法加以处理。目前国内外处理有机废水的方法很多，主要有物理吸附法、化学氧化法和生物降解法等，各种方法都有自身的优缺点。其中光催化氧化法属于化学氧化法的一种类型，是近年来发展起来的一种新型技术。纳米TiO₂是常用的一种光催化剂。研究者通过加入不同的金属离子对其催化性能改性，通过采用不同的方法制备具有不同表面积或聚集形态的催化剂。

CN1724146公开了一种可在太阳光照射下催化氧化降解有机物负载型纳米复合光催化剂的制备方法；CN1696228公开了一种氮掺杂纳米二氧化钛改性光催化涂料及其制备方法；CN 101596457公开了一种硼和其它元素共掺杂的纳米二氧化钛光催化剂及制备方法；CN 1618518公开了一种用纳米碳管为载体的、以ZnO和TiO₂为主要活性成分的光催化剂的制备方法。

上述专利所报道的制备方法较复杂，原料成分多，价格比较贵；反应的模拟废水浓度普遍不高，与实际情况相差较大；反应效果特别是在太阳光源下的催化效果不是很理想。以二氧化钛为催化剂光催化氧化降解有机废水的主要原理是二氧化钛吸收紫外光，生成电子-空穴对。水与电子-空穴对作用生成氧化性很强的羟基自由基，从而将有机废物完全氧化。电子-空穴对的维持时间是关键的技术问题。目前以二氧化钛为主要活性成分的催化剂效果较佳，如果在催化剂制备过程使二氧化钛中产生氧缺位结构，电子重新回到空穴中的时间增长，就能使催化剂的作用效果大大增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的缺点，提供一种氮掺杂的氧缺位型TiO₂催化剂降解亚甲基蓝的方法。

为解决技术问题，本发明的方案是：

提供一种氮掺杂的氧缺位型TiO₂催化剂降解亚甲基蓝的方法，包括步骤：

将氮掺杂的氧缺位型TiO₂催化剂加入质量浓度为16 mg·l^-1的亚甲基蓝溶液中，在遮光的条件下搅拌0.5 h；然后以90 mW/cm²的可见光源照射0.25～6 h即可；催化剂在反应体系中的质量浓度为0.1～2.5g/l，反应温度为室温；

所述氮掺杂的氧缺位型TiO₂催化剂是通过以下步骤制备得到的：

（1）将10 g氯化铵溶于100ml蒸馏水中，得到氯化铵溶液；取8mlTiC1₄，在剧烈搅拌下逐滴加入氯化铵溶液中；用NaOH调节pH值至4.5～9.5后搅拌1～8h，静置陈化4～48h，过滤、水洗至用AgNO₃溶液检验没有Cl^-存在；

（2）将过滤获得的固形物于60～170℃干燥、研磨，再放入石英管中，在氮气气氛下250℃干燥2 h后，继续于300～700℃下焙烧0.5～12h，即得所需的催化剂。

用NaOH调节pH值优选为5～6。如果pH值太低，TiO₂形成胶体，无法析出；当pH值太高时，TiO₂析出太快，很容易包裹较多的其他离子，从而很难净化。

用NaOH调节pH值后的搅拌时间优选为3～6 h，静置陈化时间优选为6～18 h，可以使包裹的杂离子析出并过滤掉。

催化剂在氮气保护下的最佳焙烧温度为500～700℃。温度过高会使催化剂烧结，表面积减少，而当温度不够时，不足以使TiO₂分解形成氧缺位结构。

催化剂使用量优选为0.25～1.5 g/l。催化剂的量较少，活性较低；但当催化剂的用量较大时，催化剂自身会遮挡光线的透过，从而大多数催化剂无法接收到光线的照射，催化效果也会下降。

在光催化降解废水的应用中，TiO₂起着至关重要的作用。TiO₂吸收紫外光后会产生光生电子和空穴。光生电子和空穴分别与水或氧气作用生成氧化能力很强的-OH自由基和超氧负离子。这些氧化能力很强的-OH自由基和超氧负离子与水中的废弃物反应就能将这些废弃物氧化成CO₂和H₂O。但当TiO₂中的光生电子和空穴生成之后会很快结合而失活。为了防止这种结合，通常采用的手段是添加一些金属离子。当光生电子和空穴生成之后，光生电子能很快地转移到这些掺杂的金属离子中，从而使TiO₂的氧化能力得以保持。但当这些金属离子掺入TiO₂中，这些金属离子的氧化还原能力，金属氧化物的晶体结构以及金属离子的大小是否与TiO₂相匹配是值得考虑的。本发明采用氮气保护下焙烧催化剂，得到的催化剂中含有一定数量的Ti³⁺，这些Ti³⁺离子在催化剂起着与掺杂离子相同的作用。但Ti³⁺在催化剂中的分布均匀，离子不会出现活性中心不均衡的情况。另外由于原料中的金属元素离子只含有Ti，金属离子不会溶于水中而流失，所以催化剂的稳定性好，重复性佳。由于在催化剂产生了相当数量的Ti³⁺，催化剂的吸收波长红移，从而能对可见光产生吸收，就可以在太阳光下进行光催化反应，效果较好。

本发明的有益效果在于：

采用氮气保护法制备TiO₂催化剂，使催化剂内产生氧缺位结构，加上氮气中的氮元素部分会进入催化剂内，从而产生氮掺杂结构。催化剂催化氧化废水能力强，以亚甲基蓝作为模拟废水，试验结果为在光照3h内光催化降解率最佳可超过95%，光源为滤去紫外线的可见光源，光强为90 mW/cm²。

具体实施方式

以下通过具体实施详例来说明本发明。

实例1

在强烈搅拌条件下，将10 g氯化铵溶于100ml蒸馏水中，然后量取8ml TiC1₄，在剧烈搅拌中逐滴加入上述氯化铵溶液中；然后用NaOH调节pH值至5.0；搅拌6 h，静置陈化6 h，过滤、水洗至用AgNO₃溶液检验没有Cl^-存在；然后将其在100 ℃下干燥、研磨。将研磨好的粉末在250 ℃，氮气作保护气的条件下进行干燥2 h。然后继续在氮气保护下550 ℃下焙烧2 h，即得所需的催化剂。按催化剂质量与浓度为废水16 mg·l^-1的亚甲基蓝模拟废水体积比为2.5 g/l的量加入催化剂，然后在遮光的条件下搅拌0.5 h，避免催化剂的吸附效应取样并离心后测得废水的吸光度值为1.732，然后在太阳光下照射2h，取样并离心后分析其吸光度值为0.426。废水降解率为75.4%。

实例2

在强烈搅拌条件下，将10 g氯化铵溶于100ml蒸馏水中，然后量取8ml TiC1₄，在剧烈搅拌中逐滴加入上述氯化铵溶液中；然后用NaOH调节pH值至4.5；搅拌1 h，静置陈化48 h，过滤、水洗至用AgNO₃溶液检验没有Cl^-存在；然后将其在170 ℃下干燥、研磨。将研磨好的粉末在250 ℃，氮气作保护气的条件下进行干燥2 h。然后继续在氮气保护下700 ℃下焙烧12 h，即得所需的催化剂。按催化剂质量与浓度为废水16 mg·l^-1的亚甲基蓝模拟废水体积比为0.25 g/l的量加入催化剂，然后在遮光的条件下搅拌0.5 h，避免催化剂的吸附效应取样并离心后测得废水的吸光度值为1.732，然后在太阳光下照射0.25h，取样并离心后分析其吸光度值为1.514。废水降解率为12.6%。

实例3

在强烈搅拌条件下，将10 g氯化铵溶于100ml蒸馏水中，然后量取8ml TiC1₄，在剧烈搅拌中逐滴加入上述氯化铵溶液中；然后用NaOH调节pH值至5.5；搅拌5 h，静置陈化12 h，过滤、水洗至用AgNO₃溶液检验没有Cl^-存在；然后将其在80 ℃下干燥、研磨。将研磨好的粉末在250 ℃，氮气作保护气的条件下进行干燥2 h。然后继续在氮气保护下500 ℃下焙烧4 h，即得所需的催化剂。按催化剂质量与浓度为废水16 mg·l^-1的亚甲基蓝模拟废水体积比为1.0 g/l的量加入催化剂，然后在遮光的条件下搅拌0.5 h，避免催化剂的吸附效应取样并离心后测得废水的吸光度值为1.732，然后在太阳光下照射3 h，取样并离心后分析其吸光度值为0.083。废水降解率为为95.2%。

实例4

在强烈搅拌条件下，将10 g氯化铵溶于100ml蒸馏水中，然后量取8ml TiC1₄，在剧烈搅拌中逐滴加入上述氯化铵溶液中；然后用NaOH调节pH值至9.5；搅拌3 h，静置陈化4 h，过滤、水洗至用AgNO₃溶液检验没有Cl^-存在；然后将其在60 ℃下干燥、研磨。将研磨好的粉末在250 ℃，氮气作保护气的条件下进行干燥2 h。然后继续在氮气保护下400 ℃下焙烧2 h，即得所需的催化剂。按催化剂质量与浓度为废水16 mg·l^-1的亚甲基蓝模拟废水体积比为1.5 g/l的量加入催化剂，然后在遮光的条件下搅拌0.5 h，避免催化剂的吸附效应取样并离心后测得废水的吸光度值为1.732，然后在太阳光下照射2 h，取样并离心后分析其吸光度值为0.637。废水降解率为63.2%。

实例5

在强烈搅拌条件下，将10 g氯化铵溶于100ml蒸馏水中，然后量取8ml TiC1₄，在剧烈搅拌中逐滴加入上述氯化铵溶液中；然后用NaOH调节pH值至6.0；搅拌8 h，静置陈化18 h，过滤、水洗至用AgNO₃溶液检验没有Cl^-存在；然后将其在120 ℃下干燥、研磨。将研磨好的粉末在250 ℃，氮气作保护气的条件下进行干燥2 h。然后继续在氮气保护下300 ℃下焙烧0.5 h，即得所需的催化剂。按催化剂质量与浓度为废水16 mg·l^-1的亚甲基蓝模拟废水体积比为0.1 g/l的量加入催化剂，然后在遮光的条件下搅拌0.5 h，避免催化剂的吸附效应取样并离心后测得废水的吸光度值为1.732，然后在太阳光下照射6h，取样并离心后分析其吸光度值为0.975。废水降解率为43.7%。

Claims

1.氮掺杂的氧缺位型TiO₂催化剂降解亚甲基蓝的方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用NaOH调节pH值为5～6。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，焙烧的温度为500～700℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用NaOH调节pH值后的搅拌时间为3～6 h，静置陈化时间6～18 h。