Yb-TiO_2复合光催化剂的制备及光催化性能_罗小虎.pdf

罗小虎1，杨德2，杨静3，曹茂启1，高林晓1，莫玉梅1，甄德帅1，3（1.黔南民族师范学院化学与化工学院，贵州都匀 558000；2.费县大田庄乡卫生院，山东临沂 273403；3.衡阳市市场监督检验检测中心，湖南衡阳 421001）摘要：基于TiO2主体材料，通过镱掺杂改性制备了Yb-TiO2纳米光催化剂，并用XRD、FT-IR和PL等技术对样品的晶体结构和性能进行表征，优化了Yb-TiO2纳米光催化剂配比（0.8%），并以玫瑰红B模拟废水进行探针反应，分别在紫外光和可见光照下评价其光催化性能。与未掺杂TiO2纳米光催化剂进行对比，Yb-TiO2纳米光催化剂对玫瑰红B溶液表现出更高的光催化降解性能，在紫外光（90 min）和可见光（180 min）下的脱色率分别达到99%和90%。关键词：Yb-TiO2；光催化；玫瑰红B废水；降解中图分类号:TQ426；O643文献标志码:A文章编号:1004-0439（2023）04-0015-04Preparation and photocatalytic activity of Yb-TiO2composited catalystLUO Xiaohu1,YANG De2,YANG Jing3,CAO Maoqi1,GAO Linxiao1,MO Yumei1,ZHEN Deshuai1,3(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Qiannan Normal University for Nationalities,Duyun 558000,China;2.Da Tian Zhuang Township Health Center,Linyi 273403,China;3.Hengyang MarketSupervision Inspection and Testing Center,Hengyang 421001,China)Abstract:The Yb-TiO2nano-photocatalysts were prepared by ytterbium doped modification whichbased on TiO2as the main material,and the crystal structure and properties of the samples were characterized by XRD,FT-IR,and PL.The proportion of Yb-TiO2nano-photocatalyst(0.8%)was optimized,rose red Bwas used to simulate organic wastewater as the probe reaction,and the photocatalytic performance was evaluated under ultraviolet and visible light,respectively.Compared with the unadulterated TiO2nano-photocatalyst,the Yb-TiO2nano-photocatalyst exhibited higher photocatalytic degradation performance for rose red Bsolution,with a decolorization rate of 99%and 90%under ultraviolet and visible light,respectively.Key words:Yb-SiO2;photocatalysis;rose red B wastewater;degradation收稿日期：2022-09-15基金项目：贵州省科技厅基础研究计划项目（黔科合基础-ZK 2022 一般551，黔科合基础-ZK 2022 一般547）；贵州省教育厅自然科学项目（黔教技 2022 057号）；湖南省自然科学基金联合基金项目（2022JJ90022）；衡阳市科技计划项目（202002032548）；衡阳市油茶产商品质量检验重点实验室项目（202150084066）作者简介：罗小虎（1986），男，副教授，博士，主要从事新型材料改性与金属防护应用工作，E-mail：。通信作者：甄德帅（1987），男，副教授，博士，主要从事纳米材料合成与环保工作，E-mail：。随着现代工业经济的高速发展，许多有机染料与人们的日常生活密切相关，并且在不同的行业逐渐发挥重要作用，例如纺织、印刷、食品领域等。但是大量的染料废水含有有害有机染料，特别是偶氮染料非常抗拒传统的生物处理，每天都在大量排放，严重污染生态环境，威胁人们的身体健康1-7。使用多相光催化剂在紫外光或者可见光的辐射下降解染料废水被认为是一种很有前途的处理染料废水的方式。金属氧化物催化剂被广泛用作光催化剂，具有光化学稳定性、易于分离、无毒性、低成本的特点，尤其是Yb-TiO2复合光催化剂的制备及光催化性能印 染 助 剂TEXTILE AUXILIARIESVol.40 No.4Apr.2023第40卷第4期2023年4月印染助剂40卷二氧化钛。然而，因二氧化钛的响应波长约为370 nm，只对3%5%的太阳光有效。光生电子与空穴对的复合概率极高，量子产率低。因此，许多研究人员利用各种改性方法来提高二氧化钛的光催化活性1-14。本实验以纳米二氧化钛光催化剂为研究核心，掺杂镱离子（Yb3+）进行改性，通过溶胶-凝胶法制备不同掺杂比例的Yb-TiO2纳米光催化剂，并用X射线衍射技术（XRD）和光致发光等技术对其进行表征，再以玫瑰红B水溶液为模拟降解物，研究在紫外光和可见光照射下的降解性能，对催化剂进行活性评价。1实验1.1材料与仪器材料：钛酸四丁酯（TBT）、冰醋酸（HAc）、玫瑰红B（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），氧化镱（Yb2O3，Aladdin Industrial Corporation），无水乙醇（分析纯，EtOH，北京化工厂），实验用水除特别说明外均为二次蒸馏水。仪器：D8 advance型 X射线粉末衍射仪（德国布鲁克公司），WQF 410型傅里叶变换红外光谱仪（北京瑞利分析仪器公司），ASAP2460型孔径分析仪（美国麦克仪器公司），Gary 60型紫外-可见分光光度计（安捷伦科技有限公司），F-7100型荧光光谱仪（日本日立公司），Nova-2000e型比表面积分析仪（美国康塔仪器公司）。1.2催化剂的制备取10 mL TBT加入15 mL EtOH中，以30 r/min磁力搅拌 30 min，得到透明的淡黄色溶液，转移至 100mL分液漏斗中，标记为A溶液；在超声搅拌状态下，将一定量Yb2O3缓慢加入装有20 mL EtOH的250 mL烧杯中，使用稀硝酸调节pH至23，再继续超声分散20 min，获得的混合溶液标记为 B 溶液。在 30 r/min磁力搅拌状态下，将A溶液缓慢滴入B溶液中，滴加完后继续磁力搅拌30 min，得到湿凝胶。将湿凝胶装入石英舟，转移至真空煅烧炉中，在高温下煅烧120min，最终得到目标产物Yb-TiO2纳米催化剂。采用上述类似的方法，制备纯TiO2纳米光催化剂。1.3催化剂活性评价称取一定量催化剂，加入100 mL 5 mg/L的玫瑰红B模拟废水中，于黑暗中磁力搅拌10 min；将其置于可见光和紫外光下照射180 min进行光催化反应，离心分离，取上层清液，用紫外-可见分光光度计测试吸光度。按照下列公式计算玫瑰红B模拟废水的降解率：式中：A0为降解前溶液的吸光度；At为降解后溶液的吸光度。1.4催化剂样品的表征物相结构及成分：采用X射线粉末衍射仪（XRD）和傅里叶变换红外光谱仪进行测试。比表面积：采用比表面积分析仪进行分析。荧光光谱：采用荧光光谱仪表征。2结果与讨论2.1影响光催化活性的因素2.1.1催化剂种类由图1可以看出，无论是在可见光还是在紫外光的作用下，Yb-TiO2对玫瑰红 B 的降解率明显高于TiO2，这是因为Yb的掺杂引起了Yb-TiO2晶格缺陷，有利于电子-空穴对的产生，从而提高了Yb-TiO2的光催化活性。2.1.2Yb掺杂量Yb掺杂量对催化活性的影响如图2所示。由图 2可知，随着 Yb掺杂量的增加，Yb-TiO2对玫瑰红B的降解率提高，当Yb掺杂量为0.8%时，降解率达到最大值 90.6%；但是当掺杂量进一步增加降解率=100%A0-AtA0催化剂种类1紫外光；2可见光图1催化剂种类对催化活性的影响降解率/%TiO2020100406080Yb-TiO21122Yb掺杂量/%图2Yb掺杂量对催化活性的影响降解率/%020100406080121030507090345164期时，Yb-TiO2对玫瑰红B的降解率明显降低。可能原因是过量的 Yb 掺杂降低了 TiO2表面的空间电荷层厚度，减少了电子-空穴对的有效分离，从而导致 Yb-TiO2光催化活性降低。2.1.3煅烧温度无机纳米材料在煅烧制备过程中，煅烧温度对纳米材料的结构影响较大，而材料的结构与其催化性能关系密切。由图3可以看出，Yb-TiO2对玫瑰红B的降解率随着煅烧温度的升高先升高后降低，当煅烧温度为500 时，Yb-TiO2对玫瑰红B的降解率最大（88.5%），说明Yb-TiO2的催化活性随着煅烧温度的升高先增强后减弱。一些研究报道，煅烧温度高会引起TiO2晶格的塌陷和晶相的转变，从而降低TiO2的光催化活性11-12。2.2表征2.2.1XRD由图 4可看出，Yb-TiO2光催化剂在 2为 25.28以及 37.89附近出现的 2个衍射峰分别为锐钛矿相TiO2（JCPDS#89-4921）（101）和（004）晶面的衍射峰，而在 42.17和 77.16附近展示出来的衍射峰分别为金红石相 TiO2（JCPDS#89-4920）（110）和（101）晶面的衍射峰。这反映出本实验制备的Yb-TiO2为锐钛矿相以及金红石相混合的 TiO2。图 4 中并没有发现 Yb的特征衍射峰，这可能是由于 Yb 已经高度分散在TiO2晶格中。另外，样品中锐钛矿相TiO2的平均晶粒尺寸7-9可以通过Scherrer公式进行计算：式中：D 为晶粒尺寸，nm；为 X 射线的入射波长（0.150 46 nm）；为衍射峰的半高峰宽；为布拉格衍射角。计算得出Yb-TiO2样品中锐钛矿相TiO2的平均晶粒尺寸为13.05 nm，小于TiO2样品中锐钛矿相TiO2的平均晶粒尺寸（19.59 nm），说明 Yb掺杂后样品的粒径变小。因此，Yb-TiO2催化剂的光催化活性以混合相为主。2.2.2FT-IR由图 5可以看出，1 000 cm-1附近展示出宽而强的吸收峰，为 TiO2的特征吸收峰，由 TiO2中的 TiO伸缩振动和弯曲振动产生10。同时，TiO2和 Yb-TiO2均在1 630、3 445 cm-1处有2个较弱的吸收峰，分别为TiO2结构中水分子的HOH和表面羟基OH的特征吸收峰14。与 TiO2不同的是，Yb-TiO2在 3 245cm-1处的吸收峰较强，说明Yb-TiO2的亲水性得到了提高13，可以产生更多的羟基自由基（OH），非常有利于Yb-TiO2光催化活性13的提高。2.2.3比表面积Yb-TiO2的比表面积高达109.6 m2/g，而TiO2的比表面积仅仅只有50.0 m2/g，说明Yb的掺杂可以提高Yb-TiO2的比表面积。对于纳米催化剂而言，大的比表面积通常可以暴露更多的催化活性位点10，从而表现出较强的催化活性。2.2.4荧光光谱半导体光催化剂荧光发射光谱中的荧光强度可以用来表征光生电子和光生空穴的复合概率。通常荧光强度越高，说明光生电子和光生空穴复合概率越高，而荧光强度越低则表示光生电子和光生空穴的复合概率越低。由图6可以看出，位于480640 nm处的吸附峰是激发产生的光生电子和光生空穴复合发出的荧光