负载型钛酸盐光催化剂的制备与性能研究

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本课题主要采用溶胶-凝胶法制备出了SrTiO3和Bi4Ti3O12两种粉末状钛酸盐光催化剂,对主要的制备条件进行优化后,分别以HZSM-5和球体SiO2作为二者的载体,制备负载型催化剂,并对影响光催化活性的关键因素进行探究,以获得性能优越的负载型光催化剂,通过XRD、SEM、FT-IR、BET和BJH以及UV-Vis等表征手段进行深入分析,同时考察不同催化剂在紫外光下对活性艳红的降解能力,主要实验内容如下:(1) XRD结果表明所制备的SrTiO3中含有少量SrCO3杂相。以不同浓度盐酸经离子交换改性NaZSM-5而制得的HZSM-5作为载体,采用溶胶-凝胶法将SrTiO3负载在分子筛表面,考察盐酸浓度对催化剂催化活性的影响。结果表明:分子筛有一定的耐酸性,改性和负载催化剂后均保持原有骨架结构;负载后,SrTiO3均匀包覆于载体表面,二者以物理混合的方式共存;负载型光催化剂的比表面积较纯SrTiO3显著增加,随着盐酸浓度的增加,SrTiO3晶粒尺寸逐渐减小,比表面积先增加后减小。盐酸浓度为0.3mol/L时,催化剂比表面积最大,同时催化剂对活性艳红的吸附率和降解率也最高。(2)以0.3mol/L盐酸改性得到的HZSM-5为载体,制备不同负载量的χSrTiO3/HZSM-5负载型催化剂;负载型催化剂具有较大的比表面积,孔径分布范围宽化,集中表现为介孔和大孔结构。随着负载量逐渐增加,催化剂晶粒尺寸略有下降,比表面积呈现减小的趋势,最佳负载量为30%,此时催化剂表现出最佳的吸附性能和光催化活性。(3)于不同煅烧温度下制备负载量均为30%的负载型光催化剂,考察煅烧温度对负载型光催化剂性能的影响,研究表明:煅烧温度越高,有机杂质和SrCO3的含量越低,有利于纯相物质的生成;温度过高,会导致SrTiO3晶粒较大,不利于光催化反应,所以确定700℃为最佳煅烧温度。以0.3mol/L盐酸改性而得的HZSM-5为载体,经700℃煅烧3h制得负载量为30%的负载型催化剂具有最佳光催化性能,反应速率较纯SrTiO3显著提高,在30min内对活性艳红的脱色率为54.6%,远高于纯SrTiO3的10.7%。(4)成功制备出了纯相高结晶度的Bi4Ti3O12和不同负载量的χBi4Ti3O12/SiO2负载型光催化剂。结果表明:载体SiO2为粒径小于2μm表面光滑的球体;负载后催化剂包覆在载体表面,与载体间有Ti-O-Si新化学键生成;最佳负载量为50%,与纯Bi4Ti3O12比较,光催化反应速率加快,反应效率提高,30min内对活性艳红的降解率为58.5%,较纯Bi4Ti3O12的42.5%提高了16%。(5)紫外-可见吸收谱图表明,30%SrTiO3/0.3HZSM-5和50%Bi4Ti3O12/SiO2均能够有效破坏活性艳红的偶氮共轭体系和萘环结构。
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