閆磊磊,?！∞?劉　斌,岳萌萌,孫潤(rùn)軍

(1.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院,陜西 西安 710048)

?

Fe2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)的制備及光催化降解性能

閆磊磊1,常薇1,劉斌1,岳萌萌1,孫潤(rùn)軍2

(1.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院,陜西 西安 710048)

摘要:結(jié)合靜電紡絲技術(shù)和水熱法制備Fe2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)光催化材料.利用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(FT-IR)及比表面分析等方法,對(duì)Fe2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)的形貌、晶型、化學(xué)組成等進(jìn)行表征.利用Fe2O3/TiO2材料對(duì)羅丹明B(RB)進(jìn)行光催化降解,結(jié)果表明，F(xiàn)e2O3/TiO2對(duì)RB的降解速率高于純TiO2納米纖維,而且摻鐵量為0.5%時(shí)降解效果最好.

關(guān)鍵詞:靜電紡絲;TiO2納米纖維;羅丹明B;光催化降解

0引言

近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對(duì)化工產(chǎn)品以及化工衍生產(chǎn)品的需求增多,工業(yè)廢水和生活污水的排放量也在逐漸增多.水資源的污染嚴(yán)重威脅著人們的健康,因而水處理問題受到高度關(guān)注[1-4].半導(dǎo)體光催化劑可以將有機(jī)物完全分解為二氧化碳和水,TiO2納米纖維作為半導(dǎo)體催化材料,因?yàn)闊o(wú)毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可重復(fù)利用、廉價(jià)以及光催化性能高等特點(diǎn)被廣泛使用[5-8].目前已制備出具有良好的吸附性能以及光催化性能的TiO2催化劑[6-12].純的TiO2只有在紫外光照下在導(dǎo)帶和價(jià)帶中分別產(chǎn)生電子和空穴對(duì),空穴有很強(qiáng)的氧化能力,可以將有機(jī)物完全分解為二氧化碳和水.離子摻雜具有降低電子空穴對(duì)的復(fù)合幾率和拓展TiO2吸收閾值的作用,從而提高催化劑對(duì)太陽(yáng)光的利用率[9-13].印染廢水是水污染中常見的一種,對(duì)環(huán)境的危害非常嚴(yán)重[14-15],其中RB是一種難去除,但又使用較多的染料,對(duì)此,本文采用靜電紡絲結(jié)合水熱法合成Fe2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)光催化劑,并對(duì)其降解RB的性能進(jìn)行研究.

1實(shí)驗(yàn)

1.1試劑與儀器

(1) 試劑鈦酸丁酯(C16H36O4Ti,分析純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司);乙酸(分析純,天津醫(yī)藥化學(xué)有限公司);甲醇(分析純,天津醫(yī)藥化學(xué)有限公司);聚乙烯吡咯烷酮(PVP,Mr=300 00,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);羅丹明B(分析純,天津市福晨化學(xué)試劑廠).

(2) 儀器IKA RO10型磁力攪拌器(廣州儀科實(shí)驗(yàn)室技術(shù)有限公司),FA1104N型電子天平(上海賽德利思精密儀器儀表有限公司),UV-2450型紫外可見分光光度計(jì)(日本島津公司),BL-GHX-V型光化學(xué)反應(yīng)儀(西安比朗生物科技有限公司),電紡裝置(自制),表面積分析儀(Micromertics,美國(guó)麥克儀器公司),場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(QUATA FEG 450),X射線衍射儀(Cu靶,波長(zhǎng)0.154nm,40kV,40mA,日本理學(xué)),紅外光譜儀(Perkin Elmer).

1.2催化劑的制備

取2.125g鈦酸丁酯溶于25mL甲醇/乙酸(質(zhì)量比為37∶3)混合溶劑中,并在常溫下磁力攪拌均勻.取1.5g的PVP 邊攪拌邊加入溶液中,得到電紡前體溶液.將已配置的溶液加入到電紡裝置的噴管中.管口與接收板的距離為 12cm,電壓為14kV.溶液在高壓靜電場(chǎng)的作用下制備出復(fù)合纖維記作T0,然后常溫干燥24h,并在500℃煅燒3h,制得TiO2納米纖維記作ST0.

分別取Fe3+/TiO2摩爾比為0,0.5%,1%,2%,3%,5%的FeCl3·6H2O溶于30mL超純水中,完全溶解后加入0.1g的ST0,在200℃下水熱反應(yīng)24h.然后用去離子水和無(wú)水乙醇反復(fù)清洗,烘干得到Fe2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)材料,分別記作FT0,FT0.5,FT1,FT2,FT3,FT5.

1.3羅丹明B光催化降解

實(shí)驗(yàn)采用羅丹明B(RB)考察所制備的光催化劑的光催化性能.取30mg的Fe2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料加入30mL的RB(2×10-5mol/L)溶液,暗室1h,使催化劑與RB溶液達(dá)到吸附解吸平衡.采用光催化反應(yīng)儀,在500W氙燈照射下進(jìn)行光催化實(shí)驗(yàn), 燈與試管之間的距離為5.2cm,每隔1h取樣一次.取樣的溶液進(jìn)行離心并取上清液,用紫外可見分光光度計(jì)在λ=554nm處測(cè)定其吸光度A.

2結(jié)果與討論

表 1　Fe2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)材料的孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)

2.1比表面積及孔徑分析

圖1為Fe2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)材料的氮吸附-脫附等溫線.由圖1可看見,FT0為具有滯留環(huán)的IV型等溫線.在較高的P/P0下,吸附質(zhì)發(fā)生毛細(xì)血管凝聚,等溫線迅速上升.FT2為具有滯留環(huán)的V型等溫線,在中等的P/P0下,出現(xiàn)滯留環(huán),且上述2種待測(cè)樣品均為介孔型材料.BET模型計(jì)算出樣品的比表面積見表1,從表1中可看出,摻鐵之后樣品的比表面積、孔體積和孔徑均有所增加.

2.2SEM分析

圖2為Fe2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)材料的掃描電鏡圖.圖2(a)為煅燒之前的純TiO2,其粗細(xì)分布均勻,表面光滑.圖2(b),(c),(d)分別為FT0、FT0.5和FT5的掃描電鏡圖.可以明顯地看到煅燒之后的TiO2納米纖維均變?yōu)槎贪魻?圖2(b)沒有摻鐵,所以纖維表面也比較光滑,圖2(c)纖維表面負(fù)載了少量的Fe2O3,圖2(d)纖維表面負(fù)載了較多的Fe2O3.表明FT0.5和FT5均形成了Fe2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)材料.2.3XRD分析

圖3為Fe2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)材料的XRD圖.從圖3可以看出,Fe2O3/TiO2在2θ=25.2°(101),36.0°(103),38.0°(004),48.0°(200),54.3°(105),62.7°(204),69.3°(116),75.3°(215),82.8°(224)處出現(xiàn)9個(gè)衍射峰,與銳鈦礦相TiO2(JCPDS 21-1272)晶面相吻合;在2θ=27.4°(110),41.1°(111)處出現(xiàn)的衍射峰,與金紅石相TiO2(JCPDS 21-1276)晶面相吻合;隨著鐵含量的增加在33.2°(104)處出現(xiàn)衍射峰與α-Fe2O3(JCPDS 33-0664)晶面相吻合,而且該峰的強(qiáng)度越來越大.表明Fe2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)形成,且所制備的TiO2納米纖維是以銳鈦礦為主的混合晶型.隨著摻鐵量的增加,銳鈦礦型的峰位置基本沒有影響,這可能是因?yàn)镕e3+與Ti4+半徑非常接近,從而進(jìn)入TiO2晶格取代Ti4+所致[16-17].然而,在2θ=27.4°和41.1°時(shí)隨著摻鐵量的增加衍射峰位置逐漸減小后又增加,說明摻一定量的鐵會(huì)抑制金紅石相的生成,FT0.5對(duì)應(yīng)的金紅石相的量最少.

2.4紅外光譜分析

2.5光催化性能評(píng)價(jià)

圖5(a),(b)分別為Fe2O3/TiO2對(duì)RB的降解圖和一級(jí)動(dòng)力學(xué)曲線圖.從圖5(a)中可以看出,光照5h后,純的RB基本沒有降解,FT0.5對(duì)RB的降解效果最好,降解率達(dá)99%,其次分別是FT1,FT2,FT5,FT0,FT3.說明適量Fe2O3的負(fù)載可以有效提高TiO2納米纖維對(duì)RB降解率.

RB的降解過程遵循 Langmuir-Hinshelwood 一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型[18],圖5(b)為催化劑降解RB的一級(jí)動(dòng)力學(xué)曲線圖.由于RB的濃度很低,所以其動(dòng)力學(xué)方程為

ln(C0/C)=kt.

其中,k為表觀反應(yīng)速率常數(shù);C0為吸附脫附平衡后的濃度;C為不同光照時(shí)間間隔下剩余濃度,t為時(shí)間.從圖5可以看出k的大小順序?yàn)?FT0.5>FT1>FT2>FT5>FT0>FT3,與降解RB的結(jié)果一致.

3結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合靜電紡絲技術(shù)和水熱方法制備了Fe2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)光催化材料.二氧化鈦納米纖維是以銳鈦礦相為主的混合晶型,并且相比于純的二氧化鈦,摻鐵二氧化鈦的比表面積、孔徑、孔體積都有所提高. Fe2O3/TiO2的異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及Fe2O3的適量負(fù)載提高了其對(duì)RB的降解效率,當(dāng)摻鐵量為0.5%時(shí)催化降解效果最好,且使用中其比粉體狀納米光催化劑更易回收.

參考文獻(xiàn)(References):

[1]姚秉華,李?yuàn)檴?王力.TiO2薄膜光催化降解次甲基藍(lán)的研究[J].紡織高?；A(chǔ)科學(xué)學(xué)報(bào),2004,17(3):235-238.

YAO Binghua,LI Shanshan,WANG Li.Studies on the photocatalytic degration of methylene blue on TiO2thin film[J].Basic Sciences Journal of Textile Universities,2004,17(3):235-238.

[2]王會(huì)敏,楊萬(wàn)亮,李鑫，等.可見光響應(yīng)鈰氮共摻雜二氧化鈦及其光催化降解活性[J].水處理技術(shù),2015，41(4):54-57.

WANG Huimin,YANG Wanliang,LI Xin,et al.Visible-light response Ce/N-codoped TiO2and its activity of photocatalytic degradation[J].Technology of Water Treatment,2015,41(4):54-57.

[3]BAO Weiwei,ZOU Haifeng,GAN Shucai.Adsorption of heavy metal ions from aqueous solutions by zeolite based on oil shale ash:Kinetic and equilibrium studies[J].Chemical Research in Chinese Universities,2013,29(1):126-131.

[4]儲(chǔ)金宇,姜玲,李寧.TiO2/SiO2/γ-Fe2O3的表征及其光催化降解染料廢水[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2011,5(1):43-47.

CHU Jinyu,JIANG Ling,LI Ning.Characterization of TiO2/SiO2/γ-Fe2O3and photocatalytic degradation of dye wastewater[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2011,5(1):43-47.

[5]任小賽,常薇,劉斌.TiO2/SiO2催化劑的合成及光催化性能[J],西安工程大學(xué)學(xué)報(bào),2015,29(6):688-691.

REN Xiaosai,CHANG Wei,LIU Bin.Synthesis of TiO2/SiO2photocatalysts and its photocatalytic property[J].Journal of Xi′an Polytechnic University,2015,29(6):688-691.

[6]STENGL Vaclav,KRALOVA Daniela.TiO2/ZnS/CdS hanocomposite for hydrogen evolution and orange II dye degradation[J].International Journal of Photoenergy,2011:1-14.

[7]WANG S,LIAN J S,ZHENG W T,et al.Photocatalytic property of Fe doped anatase and rutile TiO2nanocrystal particles prepared by sol-gel technique[J].Applied Surface Science,2012,263:260-265.

[8]LIN Yanming,JIANG Zhenyi,ZHU Chaoyuan,et al.Electronic and optical performances of Si and Fe-codoped TiO2nanoparticles:A photocatalyst for the degradation of methylene blue[J].Applied Catalysis B:Environmental,2013(142/143):38-44.

[9]郭峰波.Fe3+、Si4+共摻雜TiO2光催化性能研究[J].現(xiàn)代化工,2006,26(2):130-133.

GUO Fengbo.Influence of Fe3+and Si4+co-doping on the photo-catalytic activity of TiO2[J].Modern Chemical Indusytry,2006,26(2):130-133.

[10]CHENG Shengjun,LIU Xinling,YUN Shan,et al.SiO2/TiO2composite aerogels: Preparation via ambient pressure drying and photocatalytic performance[J].Ceramics International 2014,40(9):13781-13786.

[11]FANG Zhitao ,LIN Tao ,XU Haidi.Novel promoting effects of cerium on the activities of NOxreduction by NH3over TiO2-SiO2-WO3monolith catalysts[J].Journal of Rare Earths,2014,32(10):952-959.

[12]DONG Weiyang,SUN Yaojun,MA Qingwei,et al.Excellent photocatalytic degradation activities of ordered mesoporous anatase TiO2-SiO2nanocomposites to various organic contaminants[J].Journal of Hazardous Materials,2012,229-230(3):307- 320.

[13]LIU Xu,LIU Zhongqing,ZHENG Jian,et al.Characteristics of N-doped TiO2nanotube arrays by N2-plasma for visible light-driven photocatalysis[J].Journal of Alloys and Compounds,2011,509(41):9970-9976.

[14]CHEN Zhixin,LI Danzhen,ZHANG Wenjuan,et al.Photocatalytic degradation of dyes by ZnIn2S4microspheres under visible light irradiation[J].The Journal of Physical Chemistry,2009,113(11):4433-4440.

[15]GUO Na,LIANG Yimai,LAN Shi.Uniform TiO2-SiO2hollow nanospheres: Synthesis,characterization and enhanced adsorption-photodegradation of azo dyes and phenol[J].Applied Surface Science,2014,305(12):562-574.

[16]LEI Jianfeng,LI Xiaoping,LI Weishan.Photocatalytic degradation of methyl orange on arrayed porous iron-doped anatase TiO2[J].Solid State Electron Chem,2012,16(2):625-632.

[17]WANG Qiangqing,XU Shihua,SHEN Fenglei.Preparation and characterization of TiO2photocatalysts co-doped with iron(Ⅲ) and lanthanum for the degradation of organic pollutants[J].Applied Surface Science,2011,257(17):7671-7677.

[18]TURCHI C S,OLLIS D F.Photocatalytic degradation of organic water contaminants:Mechanisms involving hydroxyl radical attack[J].Journal of Catalysis,1990,122(1):178.

編輯:武暉；校對(duì)：師瑯

文章編號(hào):1006-8341(2016)02-0234-05

DOI：10.13338/j.issn.1006-8341.2016.02.017

收稿日期：2015-12-21

基金項(xiàng)目:陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(14JK1315)；西安市碑林區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(JX1419)

通訊作者:常薇(1972—)，女，陜西省富平縣人，西安工程大學(xué)教授，研究方向?yàn)楣獯呋牧系闹苽渑c應(yīng)用.

中圖分類號(hào)：TQ 031

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Synthesis and photocatalytic degradation property of Fe2O3/TiO2heterojunction

YANLeilei1,CHANGWei1,LIUBin,YUEMengmeng1,SUNRunjun2

(1.School of Environmental and Chemical Engineering, Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China;2.School of Textile and Materials, Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China)

Abstract:Fe2O3/TiO2 heterojunction photocatalytic materials were synthesized by the combination of electrospinning technique and hydrothermal method. The morphology, crystallinity, chemical composition and other parameters of the Fe2O3/TiO2 heterojunction were characterized by SEM, XRD, FT-IR and specific surface area analysis. The photocatalytic degradation of Rhodamine B (RB) by Fe2O3/TiO2 material shows that the degradation rate of RB is higher than that of TiO2 nanofibers, and the degradation effect is better when the content of iron is 0.5%.

Key words:electrospinning; TiO2 nanofibers; Rhodamine B; photocatalytic degradation

E-mail:changwei@xpu.edu.cn

引文格式：閆磊磊,常薇,劉斌,等.Fe2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)的制備及光催化降解性能[J].紡織高?；A(chǔ)科學(xué)學(xué)報(bào),2016,29(2)：234-238.

YAN Leilei,CHANG Wei,LIU Bin,et al.Synthesis and photocatalytic degradation property of Fe2O3/TiO2heterojunction[J].Basic Sciences Journal of Textile Universities,2016,29(2):234-238.