对参杂Pd的负载型纳米TiO2薄膜光催化性能的研究

　　摘要：介绍纳米TiO2的制作方法，分析参杂Pd的负载型纳米TiO2薄膜在紫外光照射下对罗丹明B溶液的降解效率，研究负载型纳米TiO2薄膜的光催化性能。
　　关键词：TiO2；光催化降解；掺杂
　　1前言
　　纳米科技是20世纪80年代末至90年代初诞生的一门新兴科技。1995年5月美国陆军先进材料试验室召开了有军方、科研院所、政府部门和企业代表参加的“纳米材料用于装甲防护的可行性研究会”。会上将纳米材料技术作为提高现役装甲防护材料性能的核心技术来研究[1]。
　　我国在纳米材料技术研究方面尽管起步较慢。但目前在理论研究和材料技术研究等方面已基本赶上世界工业发达国家的水平[2]。
　　2实验部分
　　2.1纳米TiO2材料的制备
　　本实验选用水热合成法制备纳米TiO2包括制备Ti(OH)4及纳米TiO2薄膜。将TiCl4、氨水和蒸馏水以1：4：10的配比制备Ti(OH)4取100mL蒸馏水放入500mL的烧杯中并将其放在磁力搅拌器上进行缓慢搅拌取10mL的TiCl4并缓慢向烧杯中加入其后用取好40mL氨水的分液漏斗以细水流向烧杯中加入继续搅拌5分钟即制得湿态的Ti(OH)4将Ti(OH)4在100℃的条件下烘干并研磨成粉。取2.5g的Ti(OH)4放入装有50mL的蒸馏水的烧杯中，调至pH=11，将配制好的溶液倒入高压反应釜中并加入35个瓷环，140℃件下恒温反应4小时后取出冷却。
　　掺杂金属元素的纳米二氧化钛的制备：Ti(OH)4与掺杂的元素按一定的配比做掺杂实验加入50mL的蒸馏水在pH=11及140℃件下恒温反应4小时后取出冷却即制成掺杂元素的纳米TiO2。
　　2.2光催化性能测试
　　本文采用罗丹明B为降解对象以样品对罗丹明B溶液的光催化降解程度为评价指标对所做产品的光催化性能进行分析。取自配的5mg/L 的罗丹明B溶液30mL于200mL烧杯中将制备的纳米光催化材料放入烧杯中暗置吸附2小时并每间隔一小时测定溶液的吸光度。液面高度为1.3cm灯距为10cm用30W的紫外灯照射并且每隔半小时用分光光度计测量其吸光度。
　　3结果与讨论
　　3.1负载型纳米TiO2的光照时间对光催化性能的影响
　　称取2.5gTi(OH)4,在pH=11的条件下，加入35个瓷环，140℃下水热反应4小时，取样品瓷环30个放入装有30mL浓度为5mg/L的罗丹明B溶液的烧杯中，溶液液面与灯的距离为10cm，液层高度为1.3cm的条件下并且灾30w紫外灯下对罗丹明B降解4小时，此样为空白样品。经过分析，造成降解率提高的原因可能是因为空白样品在紫外灯的照射下，随着照射时间的增多，其纳米TiO2薄膜接受到的光能量增多，使二氧化钛价带上的电子受到激发，跃迁到导带上，从而，在导带上产生光生电子，在价带上产生光生空穴。在电场的作用下，二者分离，分别向二氧化钛表面移动[3]。吸附于二氧化钛表面的氧气吸收光电子生成超氧根离子（O2－），而表面的水则与空穴作用，生成氢离子和氢氧基，它们都是活性物种，具有很强的氧化性[4]。因此，二氧化钛在紫外光的多次照射下具有的光催化活性就随着光照次数的增加而增大[5]。
　　3.2Pd元素掺杂时光催化性能研究
　　称取2.5gTi(OH)4,在pH=11的条件下，加入35个瓷环，140℃下水热反应4小时，取样品瓷环30个放入装有30mL浓度为5mg/L的罗丹明B溶液的烧杯中，溶液液面与灯的距离为10cm，液层高度为1.3cm的条件下并且灾30w紫外灯下对罗丹明B降解4小时。计算出罗丹明B的降解率。水热反应过程中，向反应釜中加入Ti(OH)4的同时分别加入摩尔含量为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%的PdCl2，并且在放入反应釜之前PdCl2要将在加热条件下搅拌使之溶。得到的样品取出瓷环30个对罗丹明B溶液进行降解，其降解结果根据不同Pd的掺杂量在紫外光下的降解情况可见，在PdCl2不同的摩尔含量掺杂的条件下，其样品对罗丹明B溶液在紫外灯下的降解率不同，并且推出降解曲线并非是直线，在曲线的上方有走向平缓的趋势，反应速率与浓度关，由此判断此反应为一级反应。由一级反应方程式进行模拟，以降解时间为横坐标，以lnco/c为纵坐标作图后得出Pd的掺入量（mol%）为0.40%
　　时的样品反应速率常数（mg/L•h）为最高（0.202）。
　　样品在修饰Pd后，其光催化活性比空白样品的光催化活性有较大的提高。在TiO2的表面沉积了Pd，当TiO2受光照而激发时，TiO2价带上的光生空穴根据能量最低原理自然流向Pd，富集在Pd的表面，而光生电子留在TiO2的导带上，从而，将电子和空穴有效分离，大大延长了电子空穴对儿复合的时间，提高TiO2的光催化活性[6]。表中所示，在修饰量为0.00%和0.40%之间，反应速率常数的值有一个很大的飞跃，这说明Pd的修饰能很大程度的提高纳米TiO2的光催化活性。
　　4结论
　　使用Pd元素掺杂改性使纳米TiO2的光催化性能提高，最佳掺杂量为0.4%。
　　参考文献：
　　[1]张玉龙,李常德.纳米技术与纳米塑料[M].北京:中国轻工业出版社,2002
　　[2]李玲,向航.功能材料与纳米技术[M].北京:化学工业出版社,2002
　　[3]高濂,郑珊,张青红.纳米氧化钛光催化材料及应用[M].北京:化学工业出版社,2002
　　[4]徐国财,张立德.纳米复合材料[M].北京:化学工业出版社,2002
　　[5]杨和,马兴冠,赵苏.光催化技术在废水处理中的应用[J].环境保护科学,2004,30(121):9~11