不同載體對負載TiO2薄膜光催化活性影響的實驗研究
摘要：采用溶膠_凝膠工藝在不同載體表面制備了均勻透明的TiO2薄膜。甲基橙水溶液的光催化降解實驗表明：不同負載的TiO2薄膜具有不同的光催化活性，鈦片的光催化活性最高，然后是陶瓷、不銹鋼、鋁片、釉面瓷磚、玻璃，銅片最低;而且其光催化活性還與負載的加熱溫度有關，加熱溫度為520℃時鈦片的光催化活性最高，580℃時陶瓷、釉面瓷磚、不銹鋼和玻璃的催化活性最高，而460℃時鋁片的光催化活性最高。
關鍵詞：污水處理 光催化 二氧化鈦 載體
An Experimental Study of Effects of Different Substrates
on Photocatalytic Activies of Loaded TiO2 Thin Films
Abstract：Uniform and transparent TiO2 thin films on different substrates were made by sol-gel method. The photocatalytic degradation experiment with methyl orange aqueous solution showed：The TiO2 thin film on different substrates had different photocatalytic activities， which was the highest with titanium slice，followed by ceramic，stainless steel，Al slice and glazed ceramic tile，and was the lowest with glass.Moreover，thEir photocatalytic activities were related to the heating temperature of the substrates.The photocatalytic activity with titanium slice was the highest when the heating temperature was 520 ℃，the photocatalytic activities with ceramic，glazed ceramic tile，stainless steel and glass were the highest when the heating temperature was 580℃，while that with Al slice was the highest when the heating temperature was 460℃.
Key words：sewage disposal;photocatalysis,TiO2;substrate
以二氧化鈦等半導體為催化劑的光催化技術是近20年來環境 研究 的熱點之一[1]，許多研究[2]，表明它可以較好地降解水和空氣中的很多污染物，包括有機物和無機物。但是由于傳統的粉末光催化劑存在著二次分離和回收等 問題 ，許多研究者把目光轉向了固化二氧化鈦體系，即把二氧化鈦光催化劑固定在一種載體上，制備成一種薄膜。
本文采用溶膠_凝膠法在不同的載體(鈦片、玻璃、鋁片、陶瓷、釉面瓷磚、不銹鋼、銅片)表面制備二氧化鈦薄膜，來考察不同載體對負載TiO2薄膜光催化活性的 影響 ，而且對不同載體的加熱工藝進行了研究。
1 實驗 方法
1.1 二氧化鈦薄膜的制備
以鈦酸四正丁酯為原料，以三乙醇胺為抑制劑來制備溶膠。具體配制方法如下：取17.0mL鈦酸正四丁酯和4.8mL三乙醇胺溶解到67.3 mL無水乙醇中，攪拌2h，然后再加入10mL無水乙醇和1 mL蒸餾水，再攪拌30 min，即得到淡黃色的透明溶膠。
把鈦片、鋁片、不銹鋼、玻璃、釉面瓷磚和陶瓷切割成10mm x 10mm的方形，相繼用酸、堿和酒精清洗后涼干。把這6種清洗涼干后的載體分別浸漬在溶膠中，提拉速度為200mm/min，取出后放到100℃的馬弗爐中保溫30min，然后分別以每分鐘5 ℃的速率升溫到一定的溫度(400℃，460℃，520℃，580℃，640℃，700℃等)，在此溫度下再保溫1h，即得到不同加熱工藝下不同負載的二氧化鈦薄膜。
1.2 分析 方法
采用甲基橙作為光催化降解物。甲基橙在0～20 mg/L范圍內其質量濃度和吸光度成正比，可以用紫外分光光度法在450nm處，測定光解前后甲基橙的吸光度，然后 計算 甲基橙的脫色率。
1.3 實驗過程
光催化實驗在自制的循環式光催化處理儀進行。如圖1所示。
取300mL質量濃度為6.7 mg/L的甲基橙溶液到反應器，容器的上部放置經過熱處理的含有二氧化鈦薄膜的不同載體，容器中含有2個小型電動機，使被處理水循環流過載TiO2的片體。水樣中插入一個充氣的細管，以便充人一定量的空氣。300W的紫外燈在距離載體10cm處。每光照20min取一次樣，以便分析甲基橙脫色率的變化。
2 結果和分析
關于光催化負載加熱工藝對光催化活性的影響，以前也有人研究過，但是所得的結論不很統一，針對這種情況，本文又對不同負載加熱工藝對光催化活性的影響進行了研究。圖2為光照20min時，TiO2薄膜對甲基橙脫色率的影響。
從圖2可以看出，在580℃時，陶瓷、玻璃、釉面瓷磚、不銹鋼等二氧化鈦負載的光催化活性最好，在460 ℃時，鋁片負載的光催化活性最好，而520℃時鈦片的光催化活性最好。TiO2晶體的結構以及TiO2粒子的大小與其光催化效率有關。隨著加熱溫度的提高，TiO2會從無定型向銳鈦礦型進而向金紅石型轉變，而且隨著溫度的升高，粒徑逐漸減小。研究表明TiO2光催化劑起光催化作用的是銳鈦礦型結構，溫度過低，TiO2呈無定型結構，過高呈金紅石型，無定型結構和金紅石結構都不利于光催化反應;另一方面，溫度過低，TiO2的粒徑大，也不利于光催化反應，因此TiO2薄膜的加熱溫度有一個最佳值。另外TiO2薄膜的加熱溫度還與載體的類型有關，這是由于TiO2薄膜與載體之間的相互作用所致。
圖3是光照40 min時鋁片、不銹鋼、鈦片、陶瓷、釉面瓷磚、玻璃和銅片為載體時二氧化鈦薄 膜對甲基橙脫色率的影響。其中鈦片是在520℃時所得的二氧化鈦薄膜負載，而鋁片的熱處理溫度是460℃，不銹鋼、釉面瓷磚、陶瓷、玻璃和銅片的熱處理溫度都是580℃。
從圖3看出，甲基橙脫色率最高的是鈦片，其次是陶瓷、不銹鋼、鋁片、釉面瓷磚、玻璃，最差的是銅片。導致這種差別的原因可能有兩個：
①載體表面的吸附。由于陶瓷表面比較粗糙，比表面積大，因此陶瓷和TiO2薄膜之間的物理吸附能較大。其它的幾種載體表面比較光滑，所以其物理吸附能較小。另外，TiO2薄膜和載體之間可能發生了化學反應，這種反應有利于 電子 和空穴的分離并增加了對反應物的吸附，提高了TiO2的光催化活性，由于載體不同，所以形成的化學鍵不同，其光催化活性也不同。
②TiO2薄膜與載體之間通過相互擴散形成了一個漸變界面，載體不同，他們的界面也不同，因而其附著性能不同。另外，在TiO2薄膜與載體之間形成的界面處還可能產生了雙電層。產生雙電層的原因是由于薄膜和基體兩種材料的費米能級不同，因而在它們相互接觸以后，在它們之間要發生電子轉移，在界面兩邊聚積起符號相反的電荷，異性電荷相互吸引，增強了薄膜對載體的吸附，由于載體不同，其費米能級不同，所以薄膜對載體的附著性能也不同。銅片可能是由于在熱處理過程中表面被氧化，所涂覆的二氧化鈦隨著薄膜脫落掉了，因此其二氧化鈦薄膜負載對甲基磴的脫色率幾乎沒有影響。
3 結論
①不同負載TiO2薄膜的光催化活性不同，鈦片的光催化活性最高，其次是陶瓷、不銹鋼、鋁片、銅片、釉面瓷磚和玻璃。
②不同負載的TiO2薄膜，在不同的加熱工藝參數下，具有不同的催化活性，陶瓷、釉面瓷磚、不銹鋼、玻璃等負載的TiO2薄膜在580℃時光催化活性最好，鈦片在520℃時光催化活性最好，而鋁片在460℃時的光催化活性最好。
參考 文獻 ：
[1] Hoffmann M R，Martin S T，ChoiWinyong，et al.Environmental application of seroiconductor photocatalysis[J].Chemical Review，1995，95(1)：69—96.
[2] Ollis D F， Al-Ekabi H.Photocatalytic purification and treatment of water and air[C].Elsterdam，1993.
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