孫占國(guó)，趙 強(qiáng)，李 江

（山西大同大學(xué)炭材料研究所，山西 大同 037009）

膨脹石墨負(fù)載氮摻雜二氧化鈦降解甲基橙的光催化性能

孫占國(guó)，趙 強(qiáng)，李 江

（山西大同大學(xué)炭材料研究所，山西 大同 037009）

采用溶膠-凝膠法制備了膨脹石墨負(fù)載TiO2和負(fù)載氮摻雜TiO2（N-TiO2）光催化劑，用XRD和SEM對(duì)樣品進(jìn)行表征，并以甲基橙溶液為目標(biāo)降解物進(jìn)行光催化性能的評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：納米TiO2可牢固地負(fù)載在膨脹石墨表面和層間，當(dāng)達(dá)到吸附平衡后，煅燒溫度為500℃條件下制備的膨脹石墨負(fù)載N-TiO2光催化劑在加入量為10 g/L、反應(yīng)時(shí)間60min的條件下，對(duì)初始濃度為15mg/L的甲基橙溶液的降解率達(dá)到95.2％。

二氧化鈦；氮摻雜；膨脹石墨；甲基橙

膨脹石墨是由鱗片石墨經(jīng)過化學(xué)插層法、高溫膨脹制備的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型多孔材料，對(duì)油類、有色顏料等有良好的吸附能力[1-3]。二氧化鈦（TiO2）是一種常見的寬禁帶金屬氧化物型光催化劑，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、低廉的價(jià)格、受激發(fā)可產(chǎn)生高氧化電位的·OH可分解目標(biāo)物、無毒等特點(diǎn)。TiO2的晶型及粒子大小都是影響其光催化活性的重要因素，其中銳鈦礦型TiO2具有最好的光催化活性。其次通過采用不同元素?fù)诫s來進(jìn)一步改善其光催化性能[4-5]，氮摻雜TiO2（N-TiO2）因其良好的光催化性及價(jià)廉等特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注[6]。

本文采用溶膠—凝膠法制備了膨脹石墨負(fù)載N-TiO2光催化劑[7-8]，分別采用X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）表征了其相結(jié)構(gòu)和微觀形貌，并研究了其對(duì)目標(biāo)降解物甲基橙的光催化降解性能[9]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)用試劑均為分析純。

D/MAX-rB型X射線衍射儀（XRD）（日本理學(xué)公司）；JSM-6700F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，日本電子株式會(huì)社光化學(xué)反應(yīng)儀）；光化學(xué)反應(yīng)儀（上海比朗儀器有限公司）；SY-6D-16型單相可控硅溫度控制器（沈陽市節(jié)能電爐廠）；721型分光光度計(jì)（上海市第三分析儀器廠）。

1.2 TiO2和N-TiO2的制備

在室溫下，用鹽酸將含10mL蒸餾水和10mL無水乙醇的混合液調(diào)節(jié)到pH為2，并標(biāo)記為A溶液；再取10mL鈦酸四丁酯、10mL無水乙醇和2mL冰醋酸混合均勻，并標(biāo)記為溶液B。在磁力攪拌器作用下將溶液B緩慢滴加到A溶液中直到形成透明的TiO2溶膠，烘干，在馬弗爐中500℃下焙燒3 h，即得到納米TiO2。對(duì)于N-TiO2納米粉體的制備與制備TiO2納米粉體制備相似，只是在A溶液中用1mol/ L的NH4Cl溶液調(diào)節(jié)其中的含氮量。

1.3 膨脹石墨負(fù)載TiO2/負(fù)載N-TiO2的制備

稱取2 g 100目天然鱗片石墨、2 g NaNO3、6 g研細(xì)的KMnO4混合均勻，加入46 mL濃H2SO4在三頸燒瓶中反應(yīng)60 min，緩慢加入92 mL蒸餾水以使反應(yīng)充分放熱，再加50mL H2O2（30％）除去過量MnO4-離子，抽濾，用水洗脫至呈中性得到氧化石墨，在60℃下烘箱中干燥，干燥樣品在馬弗爐中以1 200℃瞬時(shí)焙燒，即得到膨脹石墨。

將膨脹石墨浸入透明的TiO2溶膠和黃色透明的N-TiO2溶膠中攪拌均勻，烘干后分別在馬弗爐中于500℃煅燒1 h，得到膨脹石墨負(fù)載TiO2/負(fù)載N-TiO2的樣品。

1.4 光催化劑的表征和催化性能的測(cè)定

采用D/MAX-rB型X射線衍射儀測(cè)定了樣品的相結(jié)構(gòu)（Cu靶），掃描范圍20～75°（2θ）；用JSM-6700F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察和分析樣品的形貌。

以甲基橙為目標(biāo)降解物，在20℃，將100mL，15 mg/L的甲基橙溶液和1 g光催化樣品在磁力攪拌器作用下混合均勻，達(dá)到吸附平衡后，在500 W高壓汞燈下，每間隔15min取一定量反應(yīng)液，用721型分光光度計(jì)測(cè)定其在λmax=464 nm處的吸光度，利用公式計(jì)算甲基橙降解率（P）：

P=[（A0-At）/A0]×100％

式中，A0為甲基橙溶液的初始吸光度；At為甲基橙溶液反應(yīng)t時(shí)刻的吸光度。

2 結(jié)果與討論

圖1是不同溫度焙燒條件下所得到納米TiO2的XRD圖譜。由圖可見在400，500℃下只有銳鈦礦相存在，當(dāng)焙燒溫度達(dá)到600℃金紅石相已較明顯，出現(xiàn)混晶。隨著溫度繼續(xù)升高，金紅石相更加明顯，在700℃時(shí)可見金紅石110衍射峰非常明顯。

圖1 不同溫度下樣品的XRD圖譜

圖2為單體納米TiO2的SEM圖，圖3為負(fù)載納米TiO2后的SEM掃描圖片，由圖可見納米氧化鈦顆粒附著在上面，并且隨著顆粒團(tuán)聚的出現(xiàn)，晶粒尺寸也逐步增大。

圖2 納米TiO2 SEM圖

雖然存在納米粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象，但得益于膨脹石墨疏松孔狀結(jié)構(gòu)提供的三維結(jié)構(gòu)仍使其可提供良好的光降解環(huán)境。

圖4為不同光催化樣品在加入量為10 g/L、反應(yīng)時(shí)間為60min的條件下對(duì)初始濃度為15mg/L的降解率。

圖4 不同樣品對(duì)甲基橙的降解率

3 結(jié)論

1）氮摻雜可以明顯提高納米TiO2的光催化能力，500℃條件下銳鈦礦型的TiO2是光催化能力最好的晶型；膨脹石墨能夠提供良好的三維光降解環(huán)境，與N-TiO2復(fù)合可以發(fā)揮協(xié)同作用。

2）采用溶膠-凝膠法制備的膨脹石墨負(fù)載NTiO2對(duì)甲基橙溶液的降解具有最有的效果。在甲基橙初始濃度為15mg/L、加入量為10 g/L、反應(yīng)時(shí)間為60min的條件下，甲基橙的降解率為95.2％。

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[2]李增新，薛淑云，王彤，等.膨脹石墨吸附苦鹵中有色物質(zhì)研究[J].非金屬礦，2006，29（3）：20-21.

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[7]王玉萍，彭盤英，丁海燕.活性炭負(fù)載TiO2光催化降解1-萘胺[J].應(yīng)用化學(xué)，2005，22（4）：417-421.

[8]信欣，湯亞飛.活性炭負(fù)載TiO2光降解水中敵敵畏的研究[J].工業(yè)用水與水，2004，35（1）：30-32.

[9]馬威，高航，張艷惠，等.N、Ni共摻雜TiO2光催化劑的制備及對(duì)亞甲基紫降解性能研究[J].應(yīng)用化工，2012，41（9）：1562-1563.

〔責(zé)任編輯 楊德兵〕

Photocataylytic Degradation ofmethyl O range w ith N-TiO2-loaded Expanded Graphite

SUN Zhan－guo，ZHAO Qiang，LIJiang

（Institute of Carbon Materials，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037009）

The photocatalysts of TiO2and N-TiO2loaded expanded graphitewere prepared by sol-gelmethod，XRD and SEMof the prepared samples were characterized，and themethyl orange solution was used as the goal of photocatalytic degradation for its performance evaluation.The result shows that nano-TiO2can strongly be loaded onto the surface and interlayer of expanded graphite.After the photocatalysts and the methyl orange solution reach adsorption equilbrium，when methyl orange initial mass concentration is 15 mg/L，N-TiO2loaded expanded graphite is calcined at 500℃dosage 10 g/L and adsorption time is 60 min utes，the degradation rate ofmethyl orange is 95.2％.

titanium dioxide；nitrogen doping；expanded graphite；methyl orange

TB332

A

2012-09-28

山西大同大學(xué)青年科學(xué)研究基金項(xiàng)目[2011Q11]

孫占國(guó)（1983-），男，山西 大同 人，碩士，助教，研究方向：炭材料。

book=47,ebook=52

1674－0874（2013）01－0048－02