CNTs-CdS-TiO2复合催化剂制备及光催化性能研究

摘要

随着经济的快速发展，环境污染日趋严重，利用TiO2进行环境净化越来越引起人们的关注，TiO2的禁带宽度为3.2 eV，仅对波长小于387 nm的紫外光有响应，但是紫外光仅占太阳光的4％，单纯的TiO2在太阳光下的光催化效率较低。CdS的禁带宽度为2.42 eV，光响应范围在可见光，当一定能量的光照射时，CdS导带上的电子更容易跃迁到TiO2的导带上，相应的在CdS的价带上产生光生空穴，可以提高光生电子和光生空穴的分离效率；CNTs具有大的比表面积和优良的电子传输性能，TiO2导带上电子可以通过CNTs发生转移，降低光生电子和光生空穴的复合几率。本文采用CdS、CNTs共掺杂TiO2制备复合催化剂，研究复合催化剂在可见光下的光催化性能。
　　本文采用溶胶凝胶法制备了 TiO2、CdS-TiO2、CNTs-TiO2、CNTs-CdS-TiO2光催化剂。采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(HRTEM)、扫描电子显微镜(SEM)对制备样品的晶型和微观形貌表征；采用紫外-可见分光光度计(UV-vis)、电化学工作站测定了样品的光电性能；以钨灯为模拟光源，测试了样品在可见光下对亚甲基蓝的降解性能，得到如下结论：
　　(1)在本实验条件下，采用溶胶凝胶法制备TiO2最佳试剂含量是5 mL钛酸四丁酯、4 mL去离子水、40 mL无水乙醇、1.5 mL浓盐酸、0.3 g聚乙二醇、1.5 mL乙酰丙酮；500℃退火后的TiO2光催化剂结晶度最高，颗粒分布均匀；在可见光下对亚甲基蓝的降解实验表明，在浓度为5 mg/L的25 mL亚甲基蓝溶液中，TiO2含量为0.15 g时对亚甲基蓝的降解率(3 h)为5%。
　　(2)采用溶胶凝胶法制备了不同CdS掺杂量的CdS-TiO2光催化剂。结果表明，TiO2为锐钛矿相，CdS为六方晶相，且CdS的掺入能促进TiO2晶型的生长；当CdS的掺杂量为5%时(摩尔比)，CdS-TiO2光催化剂颗粒细小且分散均匀，比表面最大；红移现象最明显；光电流强度最大，为0.16 mA/cm2；在可见光下对亚甲基蓝的降解率(3 h)为50%。
　　(3)采用溶胶凝胶法制备了不同CNTs掺杂量的CNTs-TiO2光催化剂。结果表明，当CNTs的掺杂量为0.3%时(摩尔比)，红移现象最明显，光电流强度最大，为0.20 mA/cm2；在可见光下对亚甲基蓝的降解率(3 h)为40%。
　　(4)采用溶胶凝胶法制备了0.3%CNTs-5%CdS-TiO2光催化剂。结果表明，CNTs的掺入可以促进TiO2和CdS晶型的生长；CdS与TiO2包覆在CNTs表面；0.3%CNTs-5%CdS-TiO2相比0.3%CdS-TiO2和5%CNTs-TiO2，光电流有明显的提高，可达到0.28 mA/cm2；在可见光下对亚甲基蓝的降解率(3 h)为60%。