高吸附性可见光响应型N-TiO2/累托石催化剂的合成及其性能研究

摘要

TiO2是光催化领域应用最广泛的催化剂,而其较宽的禁带宽度使其对可见光缺乏响应。氮掺杂是改善TiO2可见光响应性能的有效手段,但是掺杂后的催化剂催化效果并不理想,其中一个重要原因是其吸附性能不强。针对这些问题,本研究采用具有强吸附性的累托石(湖北钟祥)粘土矿物同氮掺杂二氧化钛进行复合,制备能够对可见光响应的高吸附性光催化剂。
　　 对累托石和酸-热处理的累托石进行了表征和吸附性能的探讨。XRD、SEM和BET分析表明,湖北钟祥产累托石为有序层状结构,层间可交换阳离子以Ca2+为主。酸-热处理未改变累托石的基本结构,但比表面积和吸附能力都有所增加。
　　 采用溶胶凝胶法制备了N-TiO2催化剂和N-TiO2／累托石(NTR)复合光催化剂。利用XRD、BET、HRTEM、TG-DSC、SEM、FTIR、XPS和PL等测试手段对所制备的催化剂进行了表征。在N-TiO2和NTR中掺杂的N原子以置换O原子的形式进入TiO2晶格内部形成了N-Ti-O键。同样焙烧温度条件下,N-TiO2颗粒平均粒径比未掺杂的TiO2要小,并且更加均匀。TiN和锐钛矿之间相似的晶体结构、掺杂导致的晶格畸变和掺杂对晶体颗粒生长的抑制这三方面的原因导致氮掺杂提高了锐钛矿相TiO2向金红石相TiO2的转变温度。复合催化剂中累托石的硅氧铝骨架结构基本保持不变,但是规则层状结构遭到部分破坏。NTR样品中,TiO2以锐钛矿相存在,粒径在10nm到数十纳米不等。氮的掺杂使TiO2的吸收波长阙值产生了红移,同累托石的复合则进一步强化了这种红移。400℃焙烧的NTR样品对罗丹明B(RhB)具有很强的吸附性能和可见光催化性能。NTR催化剂循环四次仍具有很强的光催化活性,稳定性很强,且易于固液分离。氮掺杂和累托石负载的协同作用被认为是高可见光催化性能的来源。
　　 对降解RhB的机理进行了研究。结果表明,RhB是先吸附到NTR表面,然后被催化降解。RhB降解过程中起主导作用的是生色基团苯环的降解。PL分析表明,光照产生的OH·自由基是降解RhB的主导力量。